RAPID RAPIT: Aké je riziko kolapsu prenosu tepla morskými prúdmi?

Cieľom tohoto experimentu je odhadnúť riziko kolapsu AMOC  (Atlantic Meridional Overturning Circulation) v nastávajúcom storočí.

RAPIT (Risk Assessment, Probability and Impacts Team) je veľký projekt, ktorý je súčasťou programu RAPID-WATCH zastrešeného NERC (Natural Environment Research Council). Projekt zahŕňa vedcov z National Oceanography Centre, Durham University, University of Reading, Met Office, University of Oxford, British Antarctic Survey, Imperial College, a London School of Economics.

Motivácia

Atlantická poludníková cirkulácia (AMOC), často označovaná ako TERMOHALINNÁ cirkulácia, hrá kľúčovú úlohu v celkovom klimatickom systéme. (viď časť nižšie pre základný opis AMOC.) AMOC dopravuje teplo k severu Atlantiku cestou Golfského prúdu a Severoatlantického prúdu, čo spôsobuje, že európska klíma je významne teplejšia, než by bola bez týchto prúdov. Doklady z paleoklimatických záznamov naznačujú, že táto cirkulácia doznala v minulosti dramatických zmien (napr. Clark a spol., 2002), a sú obavy, že by mohla byť narušená aj v budúcnosti. Ako koncentrácie atmosferických skleníkových plynov narastajú a klíma je teplejšia, očakáva sa, že bude narastať množstvo a intenzita zrážok v stredných zemepisných šírkach, a na druhej strane bude klesať tvorba tabuľového oceánskeho ľadu (Meehl a spol., 2007). Tento proces by mohol mať za následok menej slané povrchové vody oceánu, a teda (spolu so zahrievaním) znižovanie ich hustoty, s menšiu pravdepodobnosťou ich klesania do hĺbky. To všetko znamená, že AMOC by mohla zoslabnúť alebo možno aj úplne skolabovať. Predchádzajúce experimenty ukázali, že ak by sa AMOC zrútila, dopady by boli citeľné pre celú zemeguľu, a najvýraznejšie v regióne Severného Atlantiku (viď nižšie).

Jednoduché modely (Stommel, 1961; Rooth, 1982) a modely strednej komplexnosti (napr., Rahmstorf a spol., 2005) ukazujú, že ak je ďalšia sladká voda pridaná do severného Atlantiku (tvorenie menej hustej povrchovej vody), potom AMOC môže kolabovať, a dokonca keď nenormálne sladkovodné vnucovanie je odstránené, cirkulácia sa nemôže vrátiť do svojho pôvodného stavu. Vplyvom rovnakého vnucovania sa cirkulácia môže dostať do dvoch stabilných stavov: "zapnutá" a "vypnutá". Ak je však AMOC je prinútená zrútiť sa v komplikovanejších klimatických modeloch, často sa postupne obnoví po odstránení vnucovania, To vedie k hypotéze, že "vypnutý" stav nemusí byť stabilný (napr., Vellinga a spol., 2002; Yin a spol., 2006). Podobne, ak sú týmto komplexným modelom vnútené primerane realistické návrhy skleníkových plynov budúcnosti, tieto modely majú tendenciu neukázať kolaps AMOC; modely použité v súčasnom IPCC odhade naznačujú, že AMOC pravdepodobne postupne zoslabne v priebehu 21. storočia, ale neskolabuje náhle (Meehl a spol., 2007).

Tieto odhady pre reakciu AMOC na ďalšie antropogénne vnucovanie sa však spoliehajú na náš "najlepší odhad" pre mnohé z detailov komplexných modelov, a nevyčísľujú neistotu vo vstupných parametroch modelu. Je mnoho fyzikálnych procesov, ktoré klimatické modely nie sú schopné  reprezentovať explicitne, a ich vplyv musí namiesto toho byť parametrizovaný. Tieto procesy zahrňujú oceánske miešanie a aktivitu vírov, atmosférickú konvekciu a fyziku oblačnosti. Parametrizácie obyčajne komplikujú voľbu najvhodnejších hodnôt pre každý koeficient, ale často sa stáva že existuje rozsah možných hodnôt, ktoré môžu koeficienty nadobúdať. To znamená, že klimatický model má mnohorozmerný parametrický priestor, s potenciálne biliónmi verzií modelu (teoreticky nekonečný počet), niektoré s realistickejšími klímami než iné. Vytváranie klimatických projektov použitím jedinej verzie modelu môže znamenať, že určité typy správania sa by mohli chýbať. To je obzvlášť dôležité pre komplexné nelineárne systémy podobné AMOC. Nie je vylúčené, že AMOC môže byť viac-menej stabilná v rôznych častiach parametrického priestoru modelu. Pre správne stanovenie rizika kolapsu AMOC musíme dôkladne preskúmať možné odpovede.

Zámer experimentu

Tento experiment používa HadCM3, spojený model s plne dynamickou atmosférou a oceánskymi komponentami, čo ho robí najkomplexnejším klimatickým modelom dostupným na climateprediction.net (je to dvojník FAMOUS, ale s vyšším rozlíšením, ako bolo používané v iných CPDN experimentoch). Model beží bez úprav prúdenia čo "postrkuje" klímu k realistickému stavu, ale má negatívny účinok na dôležité oceánske procesy. HadCM3 bol intenzívne používaný pre klimatický výskum, a bol jedným z modelov použitých v štvrtej hodnotiacej správe IPCC. Experiment pozostáva z 10 000 - člennej množiny, pokrývajúc široký rozsah parametrického priestoru HadCM3. Toto je po prvý raz čo taká veľká množina vôbec kedy bola vykonaná použitím tohoto modelu. Obyčajne musí HadCM3 bežať na superpočítači, čo znamená, že síce môže bežať rýchlo, ale je možných len niekoľko prvkov množiny (rádovo desiatky). S vašou pomocou je možné spustenie HadCM3 na climateprediction.net, a teda môže byť vytvorená veľmi, veľmi veľká množina, ktorá je potrebná na dôkladné preskúmanie schopností modelu.

Kvôli nekonečnému počtu možných modelov existujúcich v parametrickom priestore, dokonca ani 10 000 modelov by nepostačovalo na to, aby vyprodukovali oprávnené odhady rizika, ak sa zoberú samostatne. Je plánované použitie špičkovej štatistickej technológie nazývanej emulácia, aby maximálne využila vytvorenú 10 000 - člennú množinu. Emulátor je štatistický nástroj, ktorý dovoľuje zobrať hocijaké hodnoty parametrov a predpovedať, s pridruženou neistotou, čo klimatický model HadCM3 urobí pri týchto nastaveniach parametrov. 10 000 behov HadCM3 bude použitých k prispôsobeniu a trénovaniu tohoto štatistického modelu. Zatiaľ čo bude trvať mesiace kým kompletný beh HadCM3 skončí, emulátoru pre HadCM3 potrvá sekundy, než vytvorí predpoklad výstupov modelu. To znamená, že keď už bol štatistikmi projektu RAPIT emulátor postavený, môže byť použitý na rýchle vyhľadávanie parametrického priestoru pre oblasti potenciálneho AMOC kolapsu (a potom môže byť prevádzkovaný model pre overenie). Je možné taktiež produkovať odhad rizika, ktorý vezme do úvahy neistotu o tom, ako sa model bude správať v hocijakej časti parametrického priestoru.

Prvá fáza experimentu zahŕňa usporiadanie každej verzie modelu, aby bola tak blízko k svojmu vlastnému stabilnému stavu klímy ako je možné. Akonáhle sú modely usporiadané, budú spustené s vnucovaniami 20. storočia, a rozmanitosťou scenárov vnucovania idealizovaného budúceho CO₂, pre preskúmanie ako AMOC reaguje na zmenu CO₂.

V tomto experimente je každý člen množiny dôležitý! Je pravdepodobné, že mnoho z modelových verzií bude mať klímy, ktoré vyzerajú bláznivo nereálne, a niekoľko z nich môže havarovať. Všetky tieto informácie sú životne dôležité pre pochopenie parametrického priestoru a pre vybudovanie užitočných emulátorov. Niekde v parametrickom priestore môže byť oblasť nie  nepravdepodobnej klímy, v ktorej sa AMOC zrúti vplyvom CO₂ vnucovania. Táto oblasť by mohla ležať niekde medzi zónou v ktorej klíma vyzerá nereálne a zónou v ktorej klíma vyzerá primerane. Ak nastane tento prípad, potom informácie z extrémnych modelov budú životne dôležité pre vybudovanie emulátorov, ktoré môžu vyhľadávať zaujímavú oblasť. Prosím nebuďte vystrašení ak model, ktorý počítate vyzerá bláznivo – informácie ktoré poskytuje, budú veľmi užitočné!

Doplnkové základné informácie

Čo je termohalinná cirkulácia/ AMOC?

V Atlantickom oceáne existuje sieť prúdov vody k severu v povrchových vrstvách, reprezentovaná hlavne Golfským prúdom a jeho pokračovaním, Severoatlantickým prúdom (pozri schému). Prináša teplú a slanú vodu z trópov do vysokých severných zemepisných šírok. Vo vysokých zemepisných šírkach oceán uvoľňuje teplo do atmosféry, robiac povrchové vody chladnejšími, a tiež je vytváraný tabuľový oceánsky ľad, robiac povrchové vody slanšími. Ako pokles teploty, tak aj zvýšenie slanosti robí vodu hustejšou. Toto umožňuje povrchovým vodám klesať a vracať sa k juhu v hlbine oceánu. Táto hlbinná voda sa nakoniec vráti na povrch, uzatvárajúc cirkulačnú slučku, kde jedna z ciest končí vystúpaním v Južnom oceáne v blízkosti Antarktídy. AMOC dopravuje okolo 20 miliónov kubických metrov vody za sekundu, a tá dopravuje okolo 1 PW tepla k severu v Atlantickom bazéne, prispievajúc k miernej klíme západnej Európy.

Čo by sa stalo, keby sa AMOC zrútila?

Modelové štúdie naznačujú, že kolaps AMOC by mohol viesť k zníženiu teploty vzduchu povrchovej vrstvy o asi (1- 3) °C v regióne Severného Atlantiku a okolitej pevninskej masy, ale s lokálnym ochladením až o 8 °C v oblastiach vzrastajúceho tabuľového oceánskeho ľadu (Vellinga a Wood, 2002; Vellinga a spol. 2002; Manabe and Stouffer; 1997; Jakub a spol. 2005). Menší chladiaci účinok by mohol byť očakávaný na celej severnej pologuli, s jemným zahrievaním južnej pologule po niekoľkých desaťročiach (napr., Vellinga and Wood, 2002; Schiller a spol., 1997). Viacero štúdií naznačuje, že by bola zmena v zrážkových schémach ponad trópmi, spojená s posunutím tropickej zóny konvergencie južným smerom (napr., Vellinga a spol. 2002; Brayshaw a spol., 2009), čo by mohlo taktiež ovplyvňovať intenzitu El Nino Southern Oscillation (ENSO) v Pacifiku (Timmermann a spol., 2007). Kolaps AMOC taktiež môže viesť k zosilňovaniu Severoatlantického búrkovej dráhy, so silnejšími vetrami ponad Európou (Vellinga and Wood, 2002; Jacob a spol., 2005; Brayshaw a spol., 2009). Počas rokov až desaťročí by boli regionálne zmeny v úrovni morskej hladiny, so vzostupom morskej hladiny v Severnom Atlantiku až o 80 cm (Levermann a spol., 2005; Vellinga and Wood, 2008; Kuhlbrodt a spol., 2009). Štúdie taktiež naznačujú možné dopady na kolobeh uhlíka (Zickfeld a spol., 2008) a na pôdnu vlhkosť a primárnu produktivitu pozemskej vegetácie (Vellinga and Wood, 2002).

Obr. 1: Jednoduchý názorný obrázok AMOC. Povrchové prúdy sú zobrazené červenou farbou, hlbinné prúdy sú zobrazené modrou farbou. Matné šípky indikujú zahrievanie nadložného vzduchu, keď západné vetry križujú atlantický bazén smerom k Európe.

Odkazy

• Brayshaw, D. J., T. Woollings, and M. Vellinga (2009). Tropical and Extratropical Responses of the North Atlantic Atmospheric Circulation to a Sustained Weakening of the MOC. J. Climate, 22, 3146-3155.
• Clark, P. U., N. G. Pisias, T. F. Stocker and A. J. Weaver (2002), The role of the thermohaline circulation in abrupt climate change, Nature, 415, 863-869.
• Jacob, D., H. Goettel, J. Jungclaus, M. Muskulus, R. Podzun, and J. Marotzke (2005), Slowdown of the thermohaline circulation causes enhanced maritime climate influence and snow cover over Europe, Geophys. Res. Lett., 32, doi:10.1029/2005GL023286.
• Kuhlbrodt, T., et al. (2009). An Integrated Assessment of changes in the thermohaline circulation. Climatic Change, 96, 489-537.
• Levermann, A., A. Griesel, M. Hofmann, M. Montoya, and S. Rahmstorf (2005), Dynamic sea level changes following changes in the thermohaline circulation. Climate Dyn., 24, 347-354.
• Manabe, S. and Stouffer, R. J. (1997). Coupled ocean-atmosphere model response to freshwater input: Comparison with Younger Dryas event. Paleoceanography, 12, 321-336.
• Meehl, G.A.,et al. (2007), Global Climate Projections. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
• Rahmstorf, S., et al. (2005), Thermohaline circulation hysteresis: A model intercomparison, Geophys. Res. Lett., 32, L23605, doi:10.1029/2005GL023655.
• Rooth, C., (1982), Hydrology and ocean circulation. Progress in Oceanography, 11, 131-149.
• Schiller, A., Mikolajewicz, U., and Voss, R. (1997), The stability of the North Atlantic thermohaline circulation in a coupled ocean-atmosphere general circulation model, Climate Dyn., 13, 325-347.
• Stommel, H. M., (1961), Thermohaline convection with two stable regimes of flow. Tellus, 13, 224-230.
• Timmermann, A., et al. (2007), The Influence of a Weakening of the Atlantic Meridional Overturning Circulation on ENSO. J. Climate, 20, 4899-4919.
• Vellinga, M., and R. A. Wood (2002), Global climatic impacts of a collapse of the Atlantic thermohaline circulation, Climatic Change, 54, 251-267.
• Vellinga, M. and R. Wood (2008), Impacts of thermohaline circulation shutdown in the twenty-first century. Climatic Change, 91, 43-63.
• Vellinga, M., Wood, R. A., and Gregory, J. M. (2002). Processes Governing the Recovery of a Perturbed Thermohaline Circulation in HadCM3. J. Climate, 15, 764-780.
• Yin, J., M. E. Schlesinger, N. G. Andronova, S. Malyshev, and B. Li (2006), Is a shut-down of the thermohaline circulation irreversible?, J. Geophys. Res., 111, D12104, 302 doi:10.1029/2005JD006562.
• Zickfeld, K., Eby, M., and Weaver, A. J. (2008). Carbon-cycle feedbacks of changes in the Atlantic meridional overturning circulation under future atmospheric CO2. Global Biogeochemical Cycles, 22, doi:10.1029/2007GB003118.

Zdroj: stránky projektu CPDN