„Wzrost poziomu morza to część kilkutysiącletniego trendu”, „za czasów rzymskich poziom morza był niższy o 2m”, „nie da się powiedzieć, z czego wynika wzrost poziomu morza”, „nie da się zmierzyć średniego poziomu morza”… Też spotkaliście się z podobnymi stwierdzeniami? Nie jesteśmy pewni, skąd się biorą, ale zainspirowały nas do napisania tego przeglądowego tekstu na temat tego, czym poziom morza właściwie jest, jak się go bada i jakie są wnioski z tych badań.

Poziom morza – nie taki znów poziomy

Większość z nas pamięta ze szkoły zasadę mówiącą, że w połączonych ze sobą naczyniach poziom wody się wyrównuje, co ma jakiś związek z grawitacją i ciśnieniem. Niektórym zdaje się, że światowe oceany to po prostu wyjątkowo duże naczynia i w związku z tym wszędzie na świecie poziom morza musi być taki sam. To jednak pochopny wniosek. Przede wszystkim dlatego, że oceany pokrywają większość powierzchni Ziemi i że na tym wielkim obszarze nie ma mowy o tym, by stałe było ciśnienie atmosferyczne, a nawet… grawitacja. Nie kryje się w tym żadna specjalna tajemnica: Ziemia po prostu nie jest jednorodna – skały, z których jest zbudowana, mają różną gęstość, a w dodatku tworzą nierówną warstwę. Jak łatwo sobie wyobrazić, cienkie oceaniczne dno nie może konkurować z górami. Siłę grawitacji na całej kuli ziemskiej znamy dziś dość dokładnie dzięki pomiarom satelitarnym misji GRACE.

Rzeczywisty kształt powierzchni oceanu urozmaicają dodatkowo zjawiska takie jak pływy, różnice ciśnienia atmosferycznego, układy wiatrów, rozszerzalność termiczna wody czy fazy cyrkulacji oceanicznych. Jest on stale śledzony przez wyposażone w radary satelity, będące w stanie zaobserwować nawet niewielkie zmiany. Pozycja satelity jest w każdej chwili znana dzięki systemowi GPS, a czas upływający pomiędzy wysłaniem w stronę powierzchni Ziemi wiązki fal, a ich powrotem do czujnika, pozwala określić odległość satelity od zmiennej powierzchni morza. Aktualną topografię oceanu można sprawdzać na stronie misji Jason. Jeśli chcecie zobaczyć wodę w ruchu, skorzystajcie z linka do strony CSIRO.

Co więc mają na myśli naukowcy mówiący o wzroście poziomu morza? Oczywiście poziom morza uśredniony w czasie i przestrzeni (tj. z pominięciem fal, pływów itp.). Wielkość ta – w parze ze znajomością topografii dna oceanu – informuje nas pośrednio o objętości całej tworzącej ocean wody.

Lokalne trudności

Satelitarne – globalne – obserwacje poziomu morza zaczęły się w 1978 roku, choć oczywiście pomiary prowadzono już wcześniej. Pierwsze przyrządy (wodowskazy) miały bardzo prostą zasadę działania: były to najzwyczajniej w świecie wielkie, ustawione pionowo linijki. Obserwator odczytywał z nich poziom wody w odniesieniu do ustalonego punktu na lądzie.

W roku 1851 w San Francisco zainstalowano pierwszy wodowskaz, który rejestrował wyniki pomiarów bez udziału obserwatora (limnigraf). Sterowana pływakiem wskazówka zaznaczała ja na arkuszu papieru nawiniętym na obracający się cylinder, podobnie jak dzieje się to w przypadku termografów czy barografów. Nawet mimo tego (oraz wielu kolejnych) udoskonalenia, pomiary wodowskazowe były uciążliwe i wymagały dużego zaangażowania obserwatorów. Będące w stałym kontakcie ze słoną wodą i narażone na trudne warunki (wiatr, falowanie) urządzenia często ulegały awariom, które w czasach pionierskich oznaczały wyłączenie instrumentu z pracy na kilka tygodni.

Obecnie klasyczne wodowskazy zastępowane są stopniowo niewielkimi radarami, wysyłającymi w stronę lustra wody wiązkę mikrofal. Czas, po jakim odbity od wody sygnał powraca do urządzenia, pozwala wyznaczyć odległość pomiędzy wodą i instrumentem oraz jej zmiany. Pomiary prowadzone są stale, a ich wyniki – natychmiast zapisywane w formie cyfrowej i transmitowane za pośrednictwem satelitów komunikacyjnych. Elektroniczne przyrządy mogłyby wydawać się bardziej wrażliwe niż wodowskazy, ale z drugiej strony dają się zamknąć w szczelnych obudowach, nie mają ruchomych części i nie są wystawione na bezpośrednie działanie czynników powodujących korozję. W rezultacie ich utrzymanie wymaga dużo mniej zaangażowania ludzi i środków.

Problemem, który towarzyszy pomiarom poziomu morza względem ustalonego punktu na lądzie jest fakt, że ten „ustalony” punkt może się w rzeczywistości przemieszczać. Często podawanym przykładem jest powolne podnoszenie się lądów, które przestały być obciążone lądolodem, jak ma to miejsce na przykład w Skandynawii. Bardziej spektakularne są przesunięcia powstające po trzęsieniach ziemi w wyniku ruchów tektonicznych – np. na wybrzeżach Rodos, czy Sycylii.

W przypadku prowadzonych obecnie pomiarów możliwe jest weryfikowanie pozycji lądu z wykorzystaniem systemu GPS. Jeśli natomiast chodzi o analizę starszych pomiarów lub informacji geologicznych, to do ustalenia globalnego średniego poziomu morza trzeba starannie dobierać miejsca pochodzenia danych, unikając obszarów aktywnych sejsmicznie. Możliwe jest także uwzględnienie odpowiednich poprawek, o ile są dostępne wystarczające dane.

Z głębi historii

Aby dowiedzieć się czegoś na temat historii poziomu morza dawniej niż w ciągu ostatnich kilku wieków, trzeba posłużyć się danymi pośrednimi. Geofizykom z pomocą przychodzą tu geolodzy, którzy analizują skały osadowe, ślady erozji i skamieliny. Swoją cegiełkę dokładają także archeolodzy, zajmujący się badaniem pozostałości rozmaitych przybrzeżnych instalacji, takich jak zbiorniki dla ryb.

Tak jak w przypadku bezpośrednich pomiarów instrumentalnych, w wyniku analiz otrzymujemy w pierwszym rzędzie lokalne zmiany poziomu morza, na które składają się zarówno ruchy tektoniczne, jak też zmiany w objętości wody zgromadzonej w oceanie i zmiany w polu grawitacyjnym Ziemi. Dodatkową komplikacją jest to, że natura nie była tak sympatyczna, jak „liczące sosny” Terry’ego Pratchetta i nie naniosła na koralowcach, osadach i skałach dokładnych dat, z których pochodzą poszczególne warstwy. Dlatego przy analizie podobnych materiałów do ustalenia jest nie tylko „jaki był poziom morza”, ale także „kiedy”. Żeby móc na te pytania odpowiedzieć rzetelnie oraz żeby wysnuć wnioski na temat średniego globalnego poziomu morza, naukowcy w miarę możliwości prowadzą obserwacje i pobierają próbki w wielu miejscach i posługują się różnymi metodami. Im więcej danych, które można ze sobą uzgodnić czasowo, tym łatwiej wyeliminować efekty lokalne.

Czy kiedyś też rósł poziom morza?

Nie ma dowodów na to, by w ostatnich 2000-3000 lat następowały istotne fluktuacje w globalnym średnim poziomie morza – był on w tym czasie niemal stały. Dopiero w XIX wieku rozpoczął się intensywny wzrost poziomu morza – obecny trend jest rzędu 3mm/rok. Zobacz grafikę z ostatniego raportu IPCC, na której obok średniego poziomu morza przedstawiono zmiany lokalnego poziomu morza w różnych rejonach.

Wykres poziomu morza – jak wiele innych w klimatologii – przypomina „kij hokejowy”.

Poziom morza po rewolucji przemysłowej

Zmiany średniego poziomu morza w ostatnich kilkuset latach są oczywiście dużo prostsze do odtworzenia niż te sprzed kilku tysięcy lat – tak jak wspomnieliśmy na początku naszego tekstu, mamy dla tego okresu pomiary instrumentalne. Jak widać na rysunku 1, na którym zebrano wyniki analiz prowadzonych przez różne grupy badawcze, od lat osiemdziesiątych XIX wieku nastąpił zauważalny wzrost poziomu morza – przynajmniej o 20 cm.

Tak samo, jak poziom morza nie jest „taki sam” na całym świecie, tak zróżnicowane są również jego zmiany. Szczególnie zagrożone wzrostem poziomu morza są niewielkie, wyspiarskie kraje Oceanii. Nie dość, że praktycznie w całości leżą one tuż nad poziomem morza, to dodatkowo poziom morza rośnie tu dużo szybciej (rzędu 10 mm/rok) niż u wybrzeży Ameryki czy Europy (0-3 mm/rok). Ten szybki przyrost poziomu morza w rejonie zachodniego tropikalnego Pacyfiku związany jest ze wzrostem temperatury wód oceanicznych w tym rejonie, a zatem zwiększeniem jej objętości. Zjawisko to nie da się w pełni wytłumaczyć naturalną zmiennością międzydakadową – także i w tym wypadku wykryto niedawno związek z antropogenicznym ociepleniem naszej planety (Hamlington i inni 2014).

Dzięki pomiarom grawitacyjnym, o których pisaliśmy na początku artykułu, obserwacjom glacjologicznym (naziemnym, lotniczym i satelitarnym) oraz rozbudowanej sieci pomiarów podwodnych (Argo) możliwe jest także ustalenie, skąd bierze się współczesny wzrost średniego poziomu morza. Być może będzie dla Was zaskoczeniem, że głównym winowajcą (ok. 1,1 mm/rok) jest… rozszerzalność termiczna wody. Najzwyczajniej w świecie, w miarę ogrzewania zwiększa ona swoją objętość. Na drugim miejscu (0,76 mm/rok) plasuje się topnienie wrażliwych na wzrost temperatur lodowców górskich. Nieco mniejszy jest w tej chwili sumaryczny wkład lądolodów – Grenlandii (0,33 mm/rok) i Antarktydy (0,27 mm/rok) – choć szczególnie te ostatnie mają olbrzymi potencjał przyspieszenia wzrostu poziomu morza.

Mamy nadzieję, że po lekturze tego tekstu czujecie się lepiej zaznajomieni z zagadkami poziomu morza, jego wzrostu i wynikami badań w tej dziedzinie. Nie ulega wątpliwości, że aktualna zmiana poziomu morza rozpoczęła się w XIX wieku. Analizy geologiczne, a obecnie także pomiary satelitarne wykluczają, by był to pozorny efekt związany z zapadaniem się lądów.

Źródło: Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: prof. Jacek Piskozub, Ziemia na rozdrożu. Opracowanie, skróty i wytłuszczenia: Marta Śmigrowska