Czynniki kształtujące klimat
 
Czynniki kształtujące klimat
Czynniki kształtujące klimat na kuli ziemskiej można podzielić na zewnętrzne i wewnętrzne. Za podstawowe czynniki zewnętrzne uważa się: położenie kuli ziemskiej w Układzie Słonecznym, siły grawitacyjne związane z oddziaływaniem planet na Słońce i Ziemię, wpływające prawdopodobnie także na aktywność Słońca i erupcję wulkanów na Ziemi. Do podstawowych czynników wewnętrznych zalicza się przede wszystkim szeroko pojętą cyrkulację atmosfery wraz z elementami ją kształtującymi, takimi jak: pokrywy lodowe w strefach okołobiegunowych (pak lodowy, lodowce szelfowe, lądolody), rozkład lądów i oceanów oraz system prądów morskich, system pasatów w strefie równikowej kuli ziemskiej i składowe systemu monsunów. Coraz częściej do czynników wewnętrznych wpływających na klimat, zalicza się również działalność człowieka, chociaż niektórzy naukowcy zaliczają ją do czynników zewnętrznych.
System klimatyczny kuli ziemskiej jest więc otwarty na przestrzeń pozaziemską, która jest stałym źródłem energii słonecznej, a równocześnie zamknięty, w jego obrębie bowiem odbywa się wymiana energii i obieg materii między lądami, oceanem i atmosferą (wszystkie składowe systemu wzajemnie na siebie oddziałują).
Zarówno procesy zewnętrzne, jak i wewnętrzne, mogą wykazywać charakter cykliczny lub quasi-cykliczny. Jeśli zachodzą we względnie krótkich przedziałach czasu, należy je traktować jako pewnego rodzaju „drgania własne” systemu klimatycznego, a nie jako zmiany klimatu, czynniki je wywołujące nie doprowadzają bowiem do ustalania się nowego stanu równowagi, z czym wiąże się pojęcie „zmiana”. Do pewnego rodzaju „drgań” należą np. przebieg roczny lub przebieg dobowy dowolnego elementu klimatycznego, odzwierciedlające różnice między latem i zimą lub dniem i nocą. Są one powodowane procesami zewnętrznymi, nie w pełni okresowymi, mimo że głównymi ich przyczynami są odpowiednio: obieg Ziemi wokół Słońca — przy odpowiednim nachyleniu osi Ziemi, oraz obrót Ziemi wokół swej osi. Przebiegi elementów klimatycznych, jako ewidentne cykle klimatyczne, są dobrze poznane. Do zjawisk cyklicznych wciąż nie w pełni wyjaśnionych należą natomiast: QBO (ang. Quasi-Biennial Oscillation, pol. Cykl quasi-dwuletni) i El Niño.
QBO, obserwowane w stratosferze tropikalnej, ma postać cyklicznej (mniej więcej co dwa lata) zmiany przeważającego kierunku wiatru z zachodniego na wschodni i wywiera prawdopodobnie wpływ na stężenie ozonu w stratosferze oraz rozprzestrzenianie się pyłów wulkanicznych, a także na działalność cyklonów tropikalnych. Przyjmuje się, że zmniejszona aktywność cyklonów tropikalnych w okresie lat z przewagą wiatrów wschodnich jest związana z gwałtowną zmianą kierunku i prędkości wiatru przy przejściu między dolną stratosferą a górną troposferą. Zjawisko to obejmuje prawdopodobnie także troposferę, ale jego wpływ na dane obserwacyjne jest trudny do uchwycenia. Przyczyna zjawiska QBO nie została wyjaśniona.
El Niño jest również zjawiskiem cyklicznym, atmosferyczno-oceanicznym, związanym z wewnętrznymi czynnikami klimatycznymi. Termin ten odnosi się do jednej z faz szerszego zjawiska, zw. oscylacją południową, przejawiającego się cyklicznymi wahaniami temperatury i ciśnienia w strefie równikowej Oceanu Spokojnego. Jest ono związane z ciepłym prądem morskim (zw. również El Niño) występującym między wybrzeżem Ameryki Południowej a Indonezją. Nazwa El Niño (po hiszpańsku ‘dzieciątko’) była regionalnie używana przez peruwiańskich rybaków od ok.1925. Tak właśnie nazwali oni ten fenomen, który dla nich przejawia się przede wszystkim tym, że chłodne wody oceanu (od powierzchni do głębokości 200 m) wzdłuż wybrzeża Ameryki Południowej co pewien czas stają się wyraźnie cieplejsze, osiągając najwyższą temperaturę w okresie Świąt Bożego Narodzenia (symptomy El Niño występują już latem lub na jesieni). Jest to związane ze słabnięciem chłodnego Prądu Peruwiańskiego i pojawianiem się ciepłego prądu El Niño płynącego w przeciwnym kierunku. Zjawisko występuje cyklicznie co 3–5 lat i wywiera negatywny wpływ na wielkość połowów ryb, głównie sardeli — ich ławice odpływają, a pojawia się mała ilość ryb gatunków ciepłolubnych, co powoduje ogromne straty ekonomiczne. Nazwa El Niño została po raz pierwszy zapisana w 1982 przez pewnego kapitana o nazwisku Curillo, a w literaturze profesjonalnej była oficjalnie przyjęta po wystąpieniu tzw. El Niño stulecia na przełomie lat 1982 i 1983.
W warunkach normalnych, zanim pojawi się El Niño, wzdłuż wybrzeży Peru i Chile prawie zawsze wieje południowy wiatr, który przynosi powietrze znad chłodnego, płynącego od wód antarktycznych Prądu Peruwiańskiego. Niebo jest zwykle pokryte chmurami nie dającymi jednak deszczu, a wybrzeża spowija gęsta mgła. Ziemia jest wysuszona, a roślinność przystosowała się do korzystania z wilgoci zawartej w mgle. Natomiast morze kipi życiem. Południowy wiatr sprawia, że chłodne, bogate w składniki odżywcze wody przydenne są wynoszone na powierzchnię (zjawisko zw. upwellingiem), co zapewnia rozwój łańcucha pokarmowego, który obejmuje plankton, ławice ryb, morskie ptaki, a także zwierzęta domowe i ludzi. Z wystąpieniem zjawiska El Niño wiąże się radykalna zmiana tych warunków, tj. zmiana rozkładu temperatury w powierzchniowych warstwach oceanu, kierunku wiatru i ciśnienia powietrza. Ciepłe wody Oceanu Spokojnego i chwiejna równowaga powietrza powodują wystąpienie ulewnych deszczów na obszarach zazwyczaj suchych i pustynnych.
Historia badań nad El Niño
W 1899 w Indiach panowała ogromna susza spowodowana brakiem monsunu. Ówczesny dyrektor obserwatoriów meteorologicznych w tym kraju, G.T. Walker, rozpoczął badania nad przyczynami wystąpienia tak katastrofalnej suszy oraz nad możliwością przewidywania podobnych zakłóceń klimatycznych. Wyniki badań pozwoliły mu na sformułowanie hipotezy, że zakłócenia te wiążą się ze zjawiskiem polegającym na cyklicznie pojawiających się zmianach ciśnienia w międzyzwrotnikowej strefie oceanów Spokojnego i Indyjskiego. Zjawisko to nazwał Walker Oscylacjami Południowymi i uznał, że monsuny są jego częścią. Współcześni mu naukowcy podważyli jednak tę hipotezę, głównie ze względu na skąpy materiał obserwacyjny.
W 1957 ogłoszono międzynarodowy program badawczy obejmujący lądy, oceany i atmosferę i nazwano go Międzynarodowym Rokiem Geofizycznym. W trakcie tych badań wystąpiło El Niño. W tym samym roku klimatolodzy G. Dietrich i K. Kalle opracowali mapę różnic między temperaturą powierzchni oceanów a średnią temperaturą powierzchni oceanów na kuli ziemskiej dla każdej strefy szerokości geograficznej. Mapa uwidacznia te obszary oceanów, w rejonie których temperatura powierzchni wody jest niższa lub wyższa od średniej dla danej szerokości geograficznej. Największy zasięg wód chłodnych odkryto w południowym rejonie Oceanu Spokojnego; rozprzestrzeniają się one w kierunku zachodnim od wybrzeży Ameryki Południowej, na odległość równą aż 85° długości geograficznej. W południowej części Oceanu Atlantyckiego chłodne wody przemieszczają się w kierunku zachodnim od wybrzeży Afryki, na odległość równą 40° długości geograficznej. Stwierdzono także, że największa anomalia termiczna wód oceanicznych (określona jako odchylenie od średniej temperatury wód oceanu dla danej szerokości geograficznej) występuje wzdłuż prawie całego wybrzeża Peru, gdzie przekracza −8°C; chłodne wody sięgają aż do równika. Z takim układem termicznym wód Oceanu Spokojnego wzdłuż równika jest związany określony schemat cyrkulacji atmosfery w tej strefie geograficznej, nazwany cyrkulacją Walkera.
Zjawisko Oscylacji Południowych badał również K. Wyrtki z Uniwersytetu Hawajskiego. Wykazał on, że jest ono konsekwencją zmian w układzie systemu wiatrów (pasatów) nad Oceanem Spokojnym. Największe znaczenie dla poznania tego zjawiska miały jednak badania meteorologa norweskiego, profesora Uniwersytetu Kalifornijskiego, J.A.B. Bjerknesa, który udowodnił, przypominając teorię Walkera, że ze zjawiskiem Oscylacji Południowych jest związane cykliczne pojawianie się ciepłych wód w równikowej części Oceanu Spokojnego, co powoduje „odwrócenie” schematu cyrkulacji Walkera. Bjerknes stwierdził także, że ciśnienie na poziomie morza, temperatura powierzchni oceanu i atmosfery oraz kierunek wiatru, stanowiące części składowe cyrkulacji Walkera, są ważnymi, o ile nie decydującymi przyczynami Oscylacji Południowych. W czasie trwania tego zjawiska najcieplejsze wody na obszarze Oceanu Spokojnego, zgromadzone w rejonie Indonezji, zaczynają się przemieszczać na wschód wzdłuż równikowej części oceanu. Te przemieszczające się masy bardzo ciepłych wód (nazwane później El Niño) powodują, że w zasięgu ich oddziaływania, w suchych dotychczas rejonach (także nad oceanem), rozwijają się komórki konwekcyjne z wstępującym ruchem ciepłego i wilgotnego powietrza, czemu towarzyszą opady (zazwyczaj anomalnie intensywne). Jak podaje C.D. Schönwiese (w książce Klimat i człowiek), podczas wystąpienia tzw. El Niño stulecia na przełomie lat 1982 i 1983 zaobserwowano na obszarach Ameryki Południowej następujące anomalie pogodowe: w Esmeraldas w północnym Ekwadorze od grudnia 1982 do czerwca 1983 spadło 1766 mm opadu (zamiast 760 mm); w Chulucanas na przedgórzu Andów w 1983 spadło 4000 mm deszczu (zamiast 250 mm); na głównej wyspie archipelagu Galápagos — Santa Cruz, wielkość opadów w okresie od grudnia 1982 do czerwca 1983 wyniosła 3325 mm (zamiast 374 mm). Natomiast w głębi lądu, gdzie zazwyczaj występują obfite opady, panowała w tym czasie wyjątkowa susza, szczególnie dotkliwa w okolicy jeziora Titicaca.
Prowadząc badania Bjerknes wykrył, oprócz zjawiska El Niño, drugą fazę zjawiska Oscylacji Południowych, którą nazwał La Niña [hiszpańskie ‘dziewczynka’]. Podczas tej fazy Oscylacji Południowych chłodne wody Pacyfiku rozciągają się od wybrzeży Peru w kierunku zachodnim aż po Nową Gwineę.
W dalszym ciągu trwają jednak dyskusje naukowców, dotyczące pierwotnej przyczyny zjawiska El Niño. Przez wiele lat za pierwotną przyczynę zjawiska oceanografowie uważali osłabienie pasatów, natomiast meteorolodzy osłabienie pola wiatrów przypisywali zmianom temperatury powierzchni oceanu. Bjerknes i S.G. Philander, amerykański meteorolog, pogodzili oba poglądy i stworzyli model matematyczny oparty głównie na dwóch pojęciach: „pamięci oceanu” i „reakcji atmosfery”. Według Philandera na zmiany zachodzące na powierzchni oceanu atmosfera reaguje gwałtownie i odpowiada oceanowi w ciągu kilku dni lub tygodni, natomiast ocean potrzebuje wielu miesięcy lub nawet lat, aby przystosować się do zmian w atmosferze. Ta właśnie różnica jest podstawową przyczyną istnienia Oscylacji Południowych, których składową jest zjawisko El Niño. Dzisiaj całość zjawiska określa się wspólną nazwą El Niño/Southern Oscillation (w skrócie ENSO). Cykliczność zjawiska polega na tym, że sprzężone ze sobą procesy, przebiegające w atmosferze i oceanie, tworzą taki układ, iż początek wystąpienia jednego El Niño zawiera w sobie warunek zakończenia zjawiska, a koniec zjawiska z kolei zawiera w sobie warunek jego ponownego wystąpienia. Jest to więc swoistego rodzaju perpetuum mobile.
Dzięki temu modelowi oraz różnorodnym programom badawczym, m.in. TOGA (ang. Tropical Oceans and Global Atmosphere Program), a także uruchomieniu specjalnej sieci obserwacji temperatury i poziomu wód oceanów Spokojnego i Indyjskiego (kilkaset stanowisk pomiarowych: na statkach pływających i zakotwiczonych, na bojach pływających i stacjonarnych, w punktach obserwacyjnych przybrzeżnych i położonych w głębi krajów narażonych na skutki działania „dzieciątka”), można już było przewidzieć wystąpienie El Niño w 1992 i ostatnie na przełomie lat 1997 i 1998.
Bardzo dokładny rozkład temperatury na powierzchni oceanów otrzymano prowadząc obserwacje satelitarne. Odkryto w ten sposób „ciepłe morze” (o temperaturze powierzchni wód ok. 29°C) — wspomniany wcześniej najcieplejszy obszar Oceanu Spokojnego w rejonie Indonezji obejmujący powierzchnię porównywalną z kontynentem Australii. Przemieszcza się on w pasie równikowym oceanu tam i z powrotem (zjawisko jest także zw. falami Kelvina).
Tak więc El Niño jest jednym z ważnych cyklicznych lub quasi-cyklicznych czynników wewnętrznych systemu klimatycznego, typowych dla pewnego stanu atmosfery i oceanu. Powoduje poważne zaburzenia pogodowe i klimatyczne w obszarze strefy równikowej dwóch oceanów — Spokojnego i Indyjskiego. Można postawić pytanie: od jak dawna obserwuje się zjawisko El Niño? S. Swerpol (El Niño — dzieciątko ziemskiego klimatu) pisze: „Aby sięgnąć w głąb stuleci trzeba było znaleźć miejsca, które zachowały trwałe ślady obecności ciepłych wód. Zwrócono uwagę na korale pacyficznych atoli. Te małe organizmy morskie o wapiennych szkieletach żyją w ciepłych wodach powierzchniowych do głębokości około 60 m. Obrastają wierzchołki gór wulkanicznych, wyspy, wyniesienia dna. Gdy zmienia się gwałtownie temperatura wody, obumierają, a ich szkielety wzmocnione żwirem, piaskiem i mułem tworzą rafy i atole. Wiedząc, że wielkość stosunku izotopów tlenu 18O/16O określa przebieg zmian temperatury środowiska, naukowcy pobrali próbki z różnych warstw wiekowych. Analiza potwierdziła przypuszczenia — ciepłe wody pojawiały się wielokrotnie przez cały badany okres obejmujący kilkaset lat”. Według C.D. Schönwiesego (Klimat i człowiek) rekonstrukcje paleoklimatyczne wskazują, że quasi-cykl El Niño występował w czasie całego współczesnego okresu ocieplenia, przy czym co pewien czas zjawisko to miało bardzo duże natężenie. Od 1870 odnotowano trzy bardzo silne zjawiska El Niño, na przełomie lat: 1877 i 1888, 1940 i 1941 i 1982 i 1983, a także występowanie La Niña — zimnego konkurenta El Niño — na przełomie lat: 1923 i 1924, 1945 i 1946 i 1972 i 1973.
Z niezrozumiałych dla autorki powodów zjawisku La Niña nie poświęcono dotychczas w literaturze większej uwagi, mimo że występuje ono w tych samych rejonach Oceanu Spokojnego co El Niño, obejmuje tak samo ogromne powierzchnie wód oceanu i nie może być obojętne pod względem klimatycznym dla tej strefy.
El Niño z przełomu lat 1997 i 1998
Prowadzone systematycznie pomiary temperatury i poziomu wód oceanów Indyjskiego i Spokojnego oraz udoskonalane modele matematyczne pozwoliły przewidzieć zjawisko El Niño w 1997 z wyprzedzeniem wielu miesięcy. Pierwsze sygnały o możliwości jego wystąpienia publikowały biuletyny Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO) już od kwietnia 1997. Istotnie wystąpiło ono z niezwykłą siłą w grudniu 1997, przy czym specjalne raporty WMO sygnalizowały jego silny rozwój (duże przyrosty temperatury wód w pasie równikowym Oceanu Spokojnego w jego środkowej i wschodniej części) już w maju, czerwcu i lipcu.
Graficzne prezentacje średnich miesięcznych pól wiatru i temperatury powierzchni wody w strefie równikowej Oceanu Spokojnego, opracowane w ramach programu TOGA, jednoznacznie potwierdzają, że El Niño, które wystąpiło na przełomie lat 1997 i 1998 jest najsilniej zaznaczonym tego rodzaju fenomenem klimatycznym w okresie od 1877. Temperatura powierzchni wód Oceanu Spokojnego wynosiła w grudniu 1997 aż 29°C. Podczas wystąpienia tego zjawiska na przełomie lat 1982 i 1983 różnica temperatury wód oceanu w stosunku do normy wynosiła +3,5°C, natomiast w grudniu 1997 — aż +5,0°C. Anomalia temperatury wód Oceanu Spokojnego jeszcze w maju 1998 utrzymywała się na poziomie od +2,5 do +3,0°C, czyli takim jak w czasie maksymalnie rozwiniętego El Niño na przełomie lat 1982 i 1983. Od 8 stycznia 1998 obserwowano jedynie zmniejszenie objętości basenu „ciepłego morza” w stosunku do obszaru tych wód w listopadzie 1997. Jeszcze pod koniec 1998 jego powierzchnia była równa półtorej powierzchni kontynentalnej części Stanów Zjednoczonych, a zakumulowana w nim energia stymulowała cyrkulacją atmosfery tej części kuli ziemskiej do jesieni 1998. Jak przewidziały główne centra prognostyczne w Stanach Zjednoczonych oraz w krajach Ameryki Południowej, Indiach i Australii, we wrześniu 1998 rozpoczęła się chłodna faza zjawiska południowych oscylacji — La Niña. Centra prognostyczne ostrzegły także, że skutki oddziaływania El Niño (oprócz anomalii, które w 1998 już wystąpiły) będą się jeszcze objawiać przez jakiś czas anomaliami temperatury powietrza i opadów.
Skutkiem oddziaływania El Niño na przełomie lat 1997 i 1998 była susza w Indonezji i północno-wschodniej Australii, w północnej części Ameryki Południowej i w południowej Afryce. Wilgotniejsze niż normalnie warunki panowały w środkowej i wschodniej części pasa równikowego Oceanu Spokojnego, wzdłuż wybrzeży Ekwadoru i północnego Peru. Huragany występowały ze zwiększoną częstością w krajach południowej Azji (wybrzeża Indii, Chin) oraz w krajach Ameryki Środkowej (Honduras, Nikaragua, Salwador i Gwatemala), gdzie huragan Mitch „działał” z niespotykaną siłą i przez siedem dni (22–28 października 1998) pustoszył te kraje. Więcej opadów niż zwykle wystąpiło w Kalifornii i południowej części Stanów Zjednoczonych.
W grudniu 1997, w apogeum zjawiska El Niño, obfite opady tropikalne wystąpiły nad centralną i wschodnią częścią równikowego pasa Oceanu Spokojnego, przy czym anomalie te obserwowano już w maju 1997. Z kolei od stycznia 1998 rozpoczął się okres znacznego deficytu opadów w Indonezji i na Filipinach, a w Tajlandii już 9 stycznia władze wydały specjalny dekret ostrzegający przed wielką suszą i wyższą ponad normę temperaturą powietrza w sezonie suchym (przypadającym na okres od stycznia do maja). Brak opadów wystąpił w południowo-wschodniej części Indii, natomiast w północnych Indiach ilość opadów wzrosła ponad normę. Zjawisko El Niño wpłynęło także na wystąpienie intensywnej suszy w Australii w stanie Queensland, we wschodniej i północnej części Nowej Południowej Walii, w stanie Wictoria oraz w południowo-zachodniej części Australii i we wschodniej Tasmanii. Susza ponad normę objęła również południową Afrykę. Z kolei opady powyżej normy odnotowano w północnej i wschodniej Tanzanii, wschodniej Zambii, północnym i wschodnim Malawi, w północnym Mozambiku i północno-zachodniej Namibii. W krajach tych również temperatura powietrza wzrosła ponad normę w miesiącach od maja do lipca.
O tym, czy El Niño wywiera wpływ na pogodę i klimat Europy naukowcy i prognozy milczą, aczkolwiek C.D Schönwiese pisze: „...nie wyklucza się także jego wpływu na Europę. Liczne, wiążące się z tym problemy wymagają jednak dalszych, intensywnych badań”. Niewątpliwie silniejszy wpływ na klimat naszej części świata wywiera, przemierzający Ocean Atlantycki, ciepły Prąd Zatokowy, zw. Golfsztromem.
Halina Lorenc
Bibliografia
J.G. Lockwood Procesy klimatotwórcze, Warszawa 1984;
S. Swerpol El Niño — dzieciątko ziemskiego klimatu, „Wiedza i Życie” 1993 nr 12;
C.D. Schönwiese Klimat i człowiek, Warszawa 1997;
S.G Philander El Niño, La Niña, and the Southern Oscillation, San Diego 1990;
Climate variability and El Niño, Melbourne 1994;
Learning to Predict Climate Variations Associated with El Niño and the Southern Oscillation, Washington 1996; „El Niño Update”, 1997 nr 1, nr 2, 1998 nr 3.
Ilustracje
Cyrkulacja Walkera, warunki normalne rys. J. Babicki i L. Maminajszwili/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Cyrkulacja Walkera, El Niño rys. J. Babicki i L. Maminajszwili/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia