Circulația meridianală din Atlantic – o componentă critică a schimbărilor climatice ce ar putea afecta și România
În următorii ani slăbirea circulației oceanice meridianale din Atlantic (Atlantic Meridional Overturning Circulation - AMOC) va conduce, în România, la ierni și veri mai calde. Cantitățile de precipitații vor scădea semnificativ vara și vor prezenta o creștere modestă pe termen mai lung, de câteva decenii, simulările realizate cu modele de circulație generală a atmosferei și a oceanului indică faptul că o slăbire pronunțată a AMOC conduce la o răcire extinsă la scara întregii emisfere nordice și la o încălzire restrânsă în Atlanticul de Sud.
Este schimbarea climatică reversibilă?
Prin activitatea umana, în ultimul secol și jumătate au fost emise în atmosferă cantități mari de gaze cu efect de seră precum Dioxidul de Carbon (CO2). Astfel, concentrația acestora în atmosferă a atins în ultimii ani niveluri semnificativ mai mari decat oricand în ultimii 800.000 ani.
Figura 1 Evoluția concentrației de CO2 (în părți per million - ppm) din atmosferă în ultimii 800.000 ani, derivată dintr-un sondaj în calota glaciară din Antarctica. Maximele și minimele marchează ciclurile glaciare, Pe parcursul acestor cicluri concentrația de CO 2 nu a depășit 300 ppm. Creșterea din ultimii 60 ani este de 100 de ori mai mare decât cele precedente, naturale, care nu au fost influențate de activitatea umană. Sursa NOAA
Una dintre consecințele creșterii concentrației gazelor cu efect de seră o reprezintă încălzirea globală manifestată în ultimul secol, aceasta fiind însoțită de multe alte modificări profunde înregistrate în atmosferă, ocean, biosferă, criosferă, cum sunt schimbarea distribuției de precipitații, intensificarea fenomenelor extreme, topirea unor părți din calotele glaciare. Încălzirea globală și manifestările asociate acesteia contribuie la ceea ce numim schimbare climatică, un proces aflat în desfășurare. Amplitudinile tot mai mari ale fluctuațiilor asociate acesteia reprezintă amenințări tot mai mari. În principiu, aceste modificări destabilizatoare pentru societate ar putea fi inversate prin eliminarea unor cantități importante de gaze cu efect de seră din atmosferă. Însă, poate în contradicție cu ce ne-am aștepta, o astfel de reducere nu implică o revenire totală la condițiile climatice care au precedat încălzirea globală. Motivul pentru această ireversibilitate a unor modificări este legată de punctele critice, acestea fiind atribute ale componentelor climatice critice. Una dintre cele mai importante componente critice este AMOC - Circulația meridianală din Atlantic.
Ce sunt punctele critice climatice și de ce trebuie să fim atenți la AMOC?
Fig. 2 Reprezentare conceptuală a unei tranziții critice. Dacă bila albastră din stânga este împinsă spre dreapta cu o forță relativ mică, ea nu va depăși punctul de maxim dintre gropi și va rămâne în apropierea stării de echilibru inițiale. În schimb, dacă aceeași bilă este împinsă suficient de puternic înspre dreapta, atunci ea va depăși punctul de maxim și va trece rapid și ireversibil în gropa din dreapta, unde se va afla într-o nouă stare de echilibru, semnificativ diferită de cea inițială. În mod analog, încălzirea globală poate “împinge” sistemele climatice critice peste punctele lor de prag.
Punctele critice sunt valori de prag asociate unor sisteme, prin a căror depășire se pot declanșa transformări semnificative care se autoperpetuează, cu impact la scară cvasi-globală. Astfel de procese pot fi rapide și ireversibile. Această ultimă proprietate reflectă faptul că transformarea declanșată prin depășirea unui punct critic nu poate fi inversată. Autoperpetuarea poate fi generată de un lanț cauzal închis (feedback pozitiv), prin care este amplificată modificarea inițială, care a condus la depășirea valorii de prag. Depășirile de puncte critice pot avea consecințe severe de natură climatică, ecologică, socială, economică. Părțile din sistemul climatic al Pământului care prezintă astfel de puncte de prag, sunt denumite componente critice. Printre acestea se numără Pădurea Amazoniană, calotele glaciare din Groenlanda și Antarctica și AMOC.
Circulația meridianală din Atlantic - AMOC este o circulație oceanică care, în mod simplificat poate fi descrisă ca având forma unei elipse extinse în plan vertical-meridianal în Atlantic, determinată în primul rând de densitatea apelor de suprafață din nordul acestui bazin (Fig. 4, cadranul din dreapta, celulă colorată în galben și roșu). Densitatea depinde de temperatură și salinitate.
Figura 3 Componente climatice critice
Figura 4 Circulația Meridianala din Atlantic. Vedere simplificată de deasupra oceanului (stânga) și vedere în secțiune verticală-meridianala în oceanul Atlantic (dreapta) derivată dintr-o simulare cu model de la Geophysical Fluid Dynamics Laboratory
Figura 5 - Evenimente climatice Dansgaard-Oeschger reflectate în variații ale temperaturii desupra Groenlandei (linie albastră) și a Antarcticii (linie roșie). Informații obținute din sondaje în aceste calotele glaciare au evidențiat creșteri rapide de temperatură (de până la 10°C în doar un deceniu), marcate cu numere întregi, în ordine crescătoare înspre trecut. Rapiditatea creșterii temperaturii este reflectată și de direcția cvasi-verticală de-a lungul căreia a evoluat temperatura pe parcursul desfășurării evenimentelor Dansgaard-Oeschger.
Partea de suprafață a AMOC, care include și Curentul Golfului, transportă apă caldă și sărată din Atlanticul Tropical spre polul nord (în Fig. 4, cadranul din stânga, bandă roșie). În parcursul spre nord, apa relativ caldă cedează căldură atmosferei de deasupra, care este relativ rece, răcindu-se în mod semnificativ. Astfel, când ajunge la latitudini mari în Atlanticul de nord, apa este relativ rece și sărată. Ambii factori, temperatura și salinitatea, contribuie în mod convergent la creșterea densității apei la suprafața oceanului, aceasta devenind mai mare decât densitatea apelor de adâncime. Această diferență pe verticală de densitate generează mișcarea descendentă a apelor de suprafață spre niveluri de adâncime (~3000 m), de unde se îndreaptă spre sud (Fig. 4, cadranul din stânga, bandă albastră). În emisfera sudică acestea revin la suprafață. Astfel, această circulație în plan vertical, în sensul acelor de ceasornic, formează AMOC (Fig. 4, cadranul din dreapta, celulă roșie). Sub această circulație meridianală se observă o celulă în care apa circulă în sens invers acelor de ceasornic (Fig. 4, cadranul din dreapta, celulă albastră). Circulația în această celulă de adâncime este determinată de apele de densitate mare formate în apropierea Antarcticii, în Marea Weddell.
Fig.6 Reprezentare schematică a celor două stări de echilibru ale AMOC. În cadranul de sus AMOC este activă (linie roșie), iar circulația din celulă de adâncime este restrânsă (linie albastră); în cadranul de jos AMOC este oprită iar celulă de adâncime se extinde spre suprafață (linie albastră).
Importanța deosebită a acestei circulații oceanice, atât din punct de vedere socio-economic, cât și științific, rezultă din cel puțin patru considerente:
AMOC a jucat un rol central în schimbările climatice bruște din trecut. Analize ale datelor care reflectă variații climatice din trecutul apropiat și îndepărtat indică faptul că AMOC a jucat un rol central în schimbările climatice din trecut. Cele mai spectaculoase schimbări climatice bruște din ultimii 120.000 ani, cunoscute ca evenimente Dansgaard-Oeschger, au constat încălziri de până la 10 ℃ manifestate în doar câteva decenii, pe parcursul ultimei perioade glaciare (Fig. 5) Acestea sunt proeminente în reconstrucția temperaturii deasupra Groenlandei (creșterile cvasi-verticale ale curbei albastre din Fig. 5, marcate cu numere întregi). Mai multe studii indică faptul că AMOC a jucat un rol central în manifestarea evenimentelor Dansgaard-Oeschger.
AMOC poate suferi tranziții ireversibile rapide între starea activă și cea oprită. Studii teoretice și simulări realizate cu modele indică faptul că AMOC are două stări stabile (una în care circulația este activă și alta în care este oprită), între care poate suferi tranziții bruște, în mod analog cu comportamentul bilei din Fig. 2. În prezent AMOC este în starea activă, însă dacă densitatea apelor de suprafață din Atlanticul de Nord scade sub o valoare de prag, circulația meridianală din Atlantic va intra într-un proces ireversibil înspre starea în care este oprită (Fig. 6). Astfel de tranziții s-au manifestat în mod recurent în trecut.
Variațiile AMOC au un impact cvasi-global semnificativ. AMOC transportă spre nord o cantitate de căldură de 50 de ori mai mare decât energia folosită de societatea umană, în aceeași unitate de timp. Prin căldura transferată, fluctuațiile intensității AMOC modifică temperatura apei de la suprafața oceanului. Prin intermediul influenței asupra atmosferei, aceste variații de temperatură influențează condițiile climatice la scară globală, în mod eterogen, însă semnificativ. De exemplu, simulările realizate cu modele de circulație generală a atmosferei și a oceanului indică faptul că o slăbire pronunțată a AMOC conduce la o răcire extinsă la scara întregii emisfere nordice și la o încălzire restrânsă în Atlanticul de Sud (Fig. 7, cadranul din stânga). Impactul aceleiași slăbiri asupra câmpului global de precipitații este proeminent în zona tropicală, incluzând anomalii negative (pozitive) localizate la nord (sud) de ecuator (Fig. 7, cadranul din dreapta). Anomalii negative semnificative sunt anticipate în sectorul Atlantico-European.
Fig.7 Impactul slăbirii circulației meridianale din Atlantic. Anomalii ale temperaturii aerului la suprafața Pământului (cadranul din dreapta, ◦C) și de precipitații (cadranul din stânga, mm/zi) rezultate dintr-o simulare a slăbirii circulației meridianale din Atlantic. Anomaliile care nu sunt semnificative statistic sunt marcate cu alb
Conform unor studii recente, pentru teritoriul României slăbirea acestei circulații oceanice va genera în următorii ani încălzire iarna și vara. Cantitățile de precipitații vor scădea semnificativ iarna și vor crește moderat vara.
Temperaturile pe timpul verilor din România sunt pozitiv corelate cu Oscilația Multidecenala din Atlantic (Atlantic Multidecadal Oscillation-AMO), un mod de variabilitate al circulației meridianale din Atlantic. Simulările realizate cu modele climatice indică de asemenea că o slăbirea pronunțată a acestei circulații oceanice conduce la o reducere a Productivității Primare Nete (cantitatea de Dioxid de Carbon transformată de ecosisteme în materie organică prin fotosinteză, excluzând cantitatea din acest gaz eliberată de acestea) pe teritoriul României, în toate anotimpurile. O scădere a productivității primare nete este asociată cu o scădere a biodiversității, a producției agricole și a celei de material lemnos. De asemenea, o astfel de reducere poate afecta negativ industria piscicolă. Astfel, slăbirea circulației meridianale din Atlantic poate afecta securitatea alimentară.
4. AMOC este vulnerabilă în fața încălzirii globale. Încălzirea globală generează topirea parțială a gheții marine din zona Arctică și a calotei glaciare din Groenlanda. Apa proaspătă astfel rezultată ajunge în Atlanticul de Nord unde scade densitatea apelor de suprafață, ceea ce este de așteptat să conducă la slăbirea intensității AMOC. Datele de observație indică faptul că încălzirea globală a contribuit la slăbirea circulație meridianale din Atlantic încă de la sfârșitul secolului XIX . Faptul că încălzirea globală poate slabi AMOC, lasă deschisă posibilitatea ca scăderea intensității acestei circulații oceanice să devină suficient de pronunțată încât aceasta să depășească un punct critic, peste care AMOC intră într-un proces ireversibil de oprire. Un astfel de colaps al AMOC ar reprezenta o provocare fără precedent pentru societatea umană și ar avea un impact devastator asupra acesteia și asupra multor ecosisteme marine și terestre. O întrebare fundamentală legată de schimbarea climatică, de mare actualitate, este cât de departe este starea actuală a AMOC de punctul critic?
Impactul cvasi-global al AMOC se extinde și asupra altor componente critice, cum sunt pădurea Amazoniană, calota glaciară din Groenlanda și partea de vest a calotei din Antarctica. Astfel, o eventuală depășire a punctului de prag al circulației meridianale din Atlantic poate “împinge” și ale componente critice peste punctele lor de prag, cu impact global catastrofal. O astfel de cascadă de depășiri de puncte critice reprezintă probabil cel mai dezastruos scenariu privind evoluția schimbării climatice.
Dinamica neliniară, impactul cvasi-global al AMOC și influență acesteia asupra altor componente critice fac din circulația meridianală oceanică din Atlantic o componentă centrală a sistemului climatic, de importanță științifică și socio-economică deosebită.
Ce știm despre evoluția recentă și starea actuală a AMOC?
Pentru a estima evoluția intensității AMOC în ultimul secol sunt necesare măsurători sistematice realizate în Atlantic, cu acoperire spațială și temporală relativ mare. Însă, astfel de măsurători directe s-au realizat numai pe parcursul ultimilor două decenii. Extinderea restrânsă în timp a acestora nu permite detectarea fără echivoc a unei eventuale slăbiri persistente a intensității AMOC, sub acțiunea încălzirii globale. Totuși, informații despre circulația meridianală din Atlantic pot fi obținute în mod indirect, analizând date de observație de temperatură a apei oceanice de suprafață, care se extind înapoi în timp până la mijlocul secolului 19. Acestea indică faptul că intensitatea AMOC prezintă o tendință de slăbire care a început să se manifeste la sfârșitul secolului 19. Până în anul 2016 slăbirea AMOC față de perioada preindustrială este de ~22%.
Consistent cu această estimare, o combinație a mai multor reconstrucții ale evoluției AMOC pe parcursul ultimului mileniu indică faptul că intensitatea acesteia este la cel mai scăzut nivel din ultimul mileniu. În linie cu acest nivel scăzut al intensității AMOC, analize distincte ale datelor de temperatură și salinitate indică faptul că AMOC se îndreaptă spre un punct critic peste care oprirea circulației este ireversibilă și că aceasta poate avea loc oricând începând de acum până la sfârșitul acestui secol. Mai mult, un studiu recent indică faptul că punctul critic al AMOC a fost deja depășit.
În contrast cu rezultatele analizelor de date observaționale, simulărilor realizate cu modele de circulație generală indică o modestă scădere a intensității AMOC, cuprinsă în intervalul 17-55%, manifestată până la sfârșitul acestui secol, în scenariul unor creșteri semnificative ale emisiilor de gaze cu efect de seră generate de activitatea umană. În plus, modele sugerează că AMOC este departe de punctul sau critic și că nu va suferi un colaps abrupt înainte de anul 2100. Aceste diferențe legate de AMOC, între rezultatele analizelor de date și simulările realizate cu modele de circulație generală ar putea fi explicate prin faptul că în cadrul acestora din urmă stabilitatea AMOC este supraestimată. Totuși, este crucial să micșorăm aceste incertitudini legate de starea actuală și de evoluția viitoare a circulației meridianale din Atlantic.
Dacă AMOC se oprește, poate fi repornită?
Conform studiilor stiințifice, în situația în care AMOC este “împinsă” de încălzirea globală peste punctul ei critic, circulația oceanică va intra într-un proces ireversibil de slăbire întins pe parcursul a câtorva decenii, încheiat cu un colaps al acesteia. Este important de subliniat încă o dată că pe parcursul unei astfel de tranziții se vor genera modificări climatice profunde, la scară globală.
Având în vedere că starea în care AMOC este oprită este una de echilibru stabil, este de așteptat că această va rămâne în aceea stare pe termen lung. O repornire a circulației nu este exclusă, însă, dacă va avea loc, se va întinde pe decenii sau secole.
Ce este de făcut în legătură cu potențialul colaps al AMOC?
Chiar dacă probabilitatea de a depăși punctul critic ar fi mică, având în vedere că un potențial colaps al AMOC ar reprezenta un dezastru la scară globală, singura opțiune responsabilă a factorilor de decizie ar trebui să fie cea de a proteja populația. Altfel spus, nu este necesar că probabilitatea de manifestare a unui dezastru să fie 100% pentru a se lua măsuri de protecție a societății. Atât timp cât investigațiile științifice au identificat un risc plauzibil pentru populație, factorii de decizie trebuie să ia măsuri adecvate.
În legătură cu AMOC și cu alte componente critice, cea mai eficientă modalitate de a minimiza riscul este de stopa cât mai curând folosirea combustibilului fosil și despăduririle. Trebuie avut în vedere că și dacă astăzi s-ar atinge obiectivul de a opri emisiile de gaze cu efect de seră, încălzirea globală va stagna doar peste câțiva ani, perioadă în care riscul de a fi depășite puncte climatice critice rămâne. În plus, eliminarea emisiilor va conduce la minimizarea impactului creșterii nivelului oceanului planetar și al fenomenelor extreme (precum unde de căldură, inundații, secete, incendii etc.), consecințe distincte de cele generate de depășirea de puncte critice climatice.
Prevenirea colapsului circulației meridianale ar trebui sa fie o prioritate în legatură cu securitatea climatică
6 puncte de reținut despre AMOC și schimbările climatice
Schimbare climatică nu este în totalitate reversibilă. Dacă sub acțiunea factorului antropic (creșterea concentrației gazelor cu efect de seră din atmosferă) sunt depășite puncte critice, se declanșează transformări climatice ireversibile, care pot fi și rapide.
Circulația meridianală din Atlantic este o componentă climatică critică. Sub influența încălzirii globale, aceasta poate depăși punctul sau critic, peste care se va slăbi în mod ireversibil, până la oprire.
Studii recente bazate pe date observaționale indică faptul că starea actuală a circulației meridianale din Atlantic nu este departe de punctul critic și că acesta poate fi depasit oricând pe parcursul acestui secol. Mai mult, un studiu sugerează că punctul critic a fost deja depășit. Totuși, există încă incertitudini în legătură cu momentul depășirii punctului critic.
Dacă circulația meridianală din Atlantic se va opri, o eventuală repornire a acesteia se va realiza în decenii sau chiar secole.
Chiar dacă există incertitudini în legătură cu momentul depășirii punctului critic, având în vederea că opririrea circulației meridianale din Atlantic va genera un dezastru la scară planetară, factorii de decizie trebuie să ia măsuri pentru protejarea societății.
Riscul climatic legat de puncte critice lipsește din evaluările referitoare la schimbarea climatică, ceea ce implică faptul că amenințarea legată de aceasta este subestimată și reprezintă un risc major de securitate pentru societatea umană.
Mihai Dima
Profesor la Facultatea de Fizică a Universității din București. Autor a numeroase articole științifice referitoare la mecanismele fizice ale schimbărilor climatice, publicate în cele mai prestigioase reviste pe plan internațional. A fost președinte al Consiliului Național al Cercetării Științifice și secretar de stat pentru cercetare științifică și inovare, director al Școlii Interdisciplinare de Studii Doctorale a Universității din București. În prezent este ambasador științific al Fundației Humboldt, din Germania.