El Niño

Potężny czynnik wpływający na globalny klimat

El Niño to ważny i naturalnie występujący wzorzec klimatyczny charakteryzujący się znacznym ociepleniem temperatury powierzchni morza w środkowej i wschodniej części tropikalnego Oceanu Spokojnego. Jest to ciepła faza większego, cyklicznego zjawiska znanego jako Oscylacja El Niño-Południowa (ENSO). ENSO stanowi najbardziej znaczące źródło corocznej zmienności wzorców klimatycznych na całym świecie, wpływając na pogodę, ekosystemy i gospodarkę daleko poza basenem Pacyfiku.

W przeszłości termin "El Niño" (po hiszpańsku "Dzieciątko Chrystus") był używany przez rybaków wzdłuż wybrzeży Peru i Ekwadoru do opisania ciepłego prądu oceanicznego, który zwykle pojawiał się około grudnia. Jego pojawienie się często zbiegało się ze złymi warunkami połowowymi. Z biegiem czasu naukowcy uznali, że to lokalne ocieplenie było częścią znacznie większej, wzajemnie powiązanej fluktuacji oceanicznej i atmosferycznej o rozległym globalnym wpływie, przyjmując "El Niño" w odniesieniu do ciepłej fazy tej oscylacji.

Mechanika El Niño: Sprzężony system ocean-atmosfera

Zachowanie El Niño jest zasadniczo związane z dynamiczną interakcją między Oceanem Spokojnym a atmosferą. Aby zrozumieć El Niño, warto najpierw rozważyć typowe warunki na tropikalnym Pacyfiku.

W warunkach neutralnych (bezENSO) lub La Niña:

• Wiatry handlowe: Przeważają silne wschodnie wiatry handlowe, wiejące konsekwentnie z regionu wysokiego ciśnienia nad wschodnim Pacyfikiem w kierunku regionu niskiego ciśnienia nad cieplejszym zachodnim Pacyfikiem.
• Dystrybucja ciepła oceanicznego: Te silne wiatry wypychają ogromne ilości ciepłych wód powierzchniowych na zachód. Powoduje to, że ciepła warstwa powierzchniowa (warstwa mieszana) pogłębia się na zachodnim Pacyfiku, podczas gdy na wschodnim Pacyfiku ciepła woda powierzchniowa jest odciągana, umożliwiając chłodniejszej, głębszej wodzie wypłynięcie na powierzchnię - proces ten nazywany jest upwellingiem. Powoduje to znaczną różnicę w temperaturach powierzchni morza (SST) na tropikalnym Pacyfiku, ze znacznie cieplejszymi wodami na zachodzie (w pobliżu Indonezji i Australii) i chłodniejszymi wodami na wschodzie (w pobliżu Ameryki Południowej). Poziom morza jest również zazwyczaj wyższy na zachodnim Pacyfiku ze względu na nagromadzenie ciepłej wody.
• Konwekcja atmosferyczna: Najcieplejsze wody na zachodnim Pacyfiku napędzają znaczne parowanie i konwekcję atmosferyczną (unoszenie się powietrza), co prowadzi do częstych burz i obfitych opadów deszczu w tym regionie.
• Cyrkulacja Walkera: Ten gradient temperatury i ciśnienia napędza wielkoskalową komórkę cyrkulacji atmosferycznej znaną jako cyrkulacja Walkera. Powietrze unosi się nad ciepłym, niskociśnieniowym zachodnim Pacyfikiem, płynie na wschód na dużych wysokościach, opada nad chłodniejszym, wysokociśnieniowym wschodnim Pacyfikiem i powraca na zachód w pobliżu powierzchni jako wiatry handlowe.

Podczas wydarzenia El Niño:

• Osłabienie wiatrów handlowych: Cechą charakterystyczną El Niño jest znaczące i trwałe osłabienie, a nawet odwrócenie wschodnich wiatrów handlowych na środkowym i wschodnim tropikalnym Pacyfiku.
• Przesunięcie ciepłej wody: Przy zmniejszonym naprężeniu wiatru ciepła woda, która wcześniej gromadziła się na zachodnim Pacyfiku, zaczyna przesuwać się na wschód wzdłuż równika. Ruch ten jest często związany z falami oceanicznymi (w szczególności falami Kelvina) rozchodzącymi się na wschód pod powierzchnią, pogłębiając ciepłą warstwę mieszaną i tłumiąc wypiętrzanie zimnej wody na wschodnim Pacyfiku.
• Zmieniony gradient temperatury: W miarę rozprzestrzeniania się ciepłej wody na wschód, silny gradient SST wschód-zachód na tropikalnym Pacyfiku ulega znacznemu zmniejszeniu lub nawet odwróceniu. Wschodni i środkowy Pacyfik stają się znacznie cieplejsze niż przeciętnie, podczas gdy daleki zachód Pacyfiku może stać się nieco chłodniejszy.
• Przesunięcie konwekcji: Region najcieplejszej wody, a tym samym główny obszar konwekcji atmosferycznej i aktywności burzowej, przesuwa się na wschód od zachodniego Pacyfiku do środkowego lub nawet wschodniego Pacyfiku. To przesunięcie jest krytyczne, ponieważ zmienia rozkład energii w atmosferze.
• Zakłócona cyrkulacja Walkera: Przesunięcie na wschód wznoszącego się powietrza i osłabienie gradientu ciśnienia wschód-zachód powoduje osłabienie, spłaszczenie lub przesunięcie na wschód komórki cyrkulacji Walkera. Typowy wzorzec wznoszącego się powietrza na zachodzie i opadającego powietrza na wschodzie ulega zasadniczej zmianie.

Globalny wpływ El Niño na pogodę i klimat

Ogromna redystrybucja ciepła na równikowym Pacyfiku i następujące po niej zmiany w cyrkulacji atmosferycznej podczas El Niño mają wpływ na wzorce pogodowe i klimatyczne na całym świecie - zjawisko znane jako telekoneksje.

• Zmiany opadów:
  
  • Zwiększone opady deszczu i powodzie: Regiony w pobliżu przesuniętej na wschód strefy konwekcyjnej, takie jak równikowe wybrzeża Ekwadoru i Peru, północne części Ameryki Południowej, a często południowa część Stanów Zjednoczonych w okresie zimowym, mają tendencję do otrzymywania ponadprzeciętnych opadów deszczu, co czasami prowadzi do poważnych powodzi.
  • Susza i suchość: Obszary znajdujące się zwykle pod wpływem wznoszącego się powietrza na zachodnim Pacyfiku (takie jak Indonezja, Australia i części Azji Południowo-Wschodniej) lub pod wpływem opadającego powietrza w innych miejscach (części Indii, południowej Afryki i północno-wschodniej Brazylii) często doświadczają znacznie suchszych warunków i suszy, zwiększając ryzyko pożarów i wpływając na rolnictwo.
• Anomalie temperatury:
  
  • Lata El Niño często wiążą się z wyższymi średnimi temperaturami na świecie, ponieważ ogromna ilość ciepła uwalnianego z cieplejszych wód wschodniego Pacyfiku do atmosfery znacząco przyczynia się do globalnego budżetu cieplnego.
  • W ujęciu regionalnym El Niño może prowadzić do wyższych niż przeciętne temperatur na wielu obszarach, w tym w części północnych Stanów Zjednoczonych i Kanady w okresie zimowym, a także potencjalnie zwiększonych fal upałów w innych lokalizacjach.
• Aktywność cyklonów tropikalnych:
  
  • Basen Atlantyku: El Niño zazwyczaj tłumi aktywność huraganów na Oceanie Atlantyckim. Zmieniona cyrkulacja atmosferyczna zwiększa pionowe ścinanie wiatru w głównym regionie rozwoju tropikalnego, utrudniając burzom organizowanie się w huragany.
  • Pacyfiku: I odwrotnie, El Niño często zwiększa aktywność cyklonów tropikalnych we wschodnich i środkowych basenach Pacyfiku, ponieważ cieplejsze wody dostarczają więcej energii, a warunki atmosferyczne stają się bardziej sprzyjające do tworzenia się burz.
• Wpływ na ekosystemy morskie:
  
  • Wzdłuż zachodniego wybrzeża Ameryki Południowej, tłumienie wypiętrzania zimnej wody podczas El Niño dramatycznie zmniejsza dopływ składników odżywczych z głębokiego oceanu na powierzchnię. Wpływa to na fitoplankton, podstawę morskiej sieci pokarmowej, prowadząc do spadku populacji ryb (takich jak sardele) i wpływając na lokalne rybołówstwo i populacje ptaków, które polegają na tych rybach.

Pętla sprzężenia zwrotnego Bjerknesa: Zasilanie oscylacji

Podczas gdy początkowe niewielkie zmiany mogą zaburzyć system, pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego znana jako sprzężenie zwrotne Bjerknesa, nazwana na cześć meteorologa Jacoba Bjerknesa, który jako pierwszy opisał związek między El Niño a Oscylacją Południową, jest kluczem do wzrostu i utrzymania zjawisk El Niño. Ilustruje ono, w jaki sposób ocean i atmosfera wzajemnie się wzmacniają:

1. Początkowa anomalia: Następuje nieznaczne osłabienie wiatrów handlowych (być może z powodu losowych zmian atmosferycznych).
2. Reakcja oceanów: Osłabione wiatry zmniejszają parcie na powierzchnię oceanu w kierunku zachodnim. Ciepła woda, która gromadziła się na zachodzie, przesuwa się na wschód, a termoklina (granica między ciepłą wodą powierzchniową a zimną wodą głęboką) pogłębia się na wschodzie i spłyca na zachodzie. Upwelling zimnej wody na wschodzie jest tłumiony.
3. Anomalia SST: Ruch ciepłej wody na wschód i stłumiony upwelling powodują, że temperatura powierzchni morza w środkowej i wschodniej części Pacyfiku wzrasta znacznie powyżej normy.
4. Reakcja atmosfery na SST: Cieplejsze SST na wschodzie prowadzą do zwiększonego parowania, konwekcji i przesunięcia atmosferycznej strefy niskiego ciśnienia na wschód.
5. Reakcja wiatru na ciśnienie: Przesunięcie wzorca ciśnienia atmosferycznego na wschód dodatkowo osłabia wiatry handlowe (lub nawet powoduje ich odwrócenie), ponieważ gradient ciśnienia, który je napędza, jest zmniejszony.

Cykl ten (Osłabione wiatry→Ciepła woda przesuwa się na wschód/upwelling jest tłumiony→Wschodni Pacyfik ociepla się→Konwekcja przesuwa się na wschód→Gradient ciśnienia słabnie→Dalsze osłabienie wiatrów) jest pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego. Każdy krok wzmacnia poprzedni, umożliwiając początkowym małym anomaliom przekształcenie się w wydarzenie El Niño na dużą skalę.

Sprzężenie zwrotne Bjerknesa ma kluczowe znaczenie dla intensyfikacji El Niño. Jest ono jednak ostatecznie przezwyciężane przez inne procesy, w tym odbicie fal oceanicznych (takich jak fale Rossby'ego z zachodniej granicy), które pomagają ostatecznie spłycić termoklinę na wschodzie i zakończyć ciepłą fazę. 

Może to czasami prowadzić do przejścia w zimną fazę ENSO, La Niña, w której dominują przeciwne warunki oceaniczne i atmosferyczne, a cyrkulacja Walkera jest silniejsza niż zwykle.

Dlaczego zrozumienie El Niño jest kluczowe

Biorąc pod uwagę jego dalekosiężny wpływ, monitorowanie i zrozumienie El Niño ma kluczowe znaczenie dla społeczeństw na całym świecie. Zdolność do przewidywania początku i intensywności zjawisk El Niño pozwala na lepszą gotowość w sektorach wrażliwych na zmienność klimatu, takich jak rolnictwo, zarządzanie zasobami wodnymi, ograniczanie ryzyka klęsk żywiołowych i zdrowie publiczne. 

Podczas gdy El Niño jest naturalną częścią systemu klimatycznego, trwające badania badają, w jaki sposób zmiany klimatu mogą wpływać na charakterystykę, częstotliwość lub intensywność zdarzeń ENSO w przyszłości, dzięki czemu ciągłe monitorowanie i badania naukowe tego potężnego zjawiska są ważniejsze niż kiedykolwiek.