Oscylacje południowe (ENSO)

Geneza zjawiska El Niño - La Nina, choć niezbyt prosta, jest juz od 1964 roku - wyjaśniona. Nie ma w nim niczego tajemniczego, ani nieprzewidywalnego. Genezę tego zjawiska wyjaśnił Jacob Bjerknes  (meteorolog i oceanograf amerykańsko-norweski). El Niño - La Nina stanowią szersze przejawy zjawiska, zwanego Oscylacją Południową, wykrytego i opisanego przez sir Giberta Walkera w 1923 roku. Obecnie, w naukach atmosferycznych i oceanicznych zjawisko to określa sie akronimem "ENSO" (skrót od "El Niño - Southern Oscillation").

    Przed wyjaśnieniem samego zjawiska ENSO należy przypomnieć, że układ baryczny w komórce Hadleya składa się ze wzajemnie powiązanego wyżu zwrotnikowego i "równikowego" pasa obniżonego ciśnienia. Występujący między tymi ośrodkami aktywności atmosfery gradient baryczny stanowi przyczynę funkcjonowania stałych wiatrów NE (półkula północna) i SE (półkula południowa), noszących nazwę pasatów. Powietrze niesione przez pasat, przechodząc nad coraz to cieplejszą wodą pobiera z powierzchni oceanu ciepło, stopniowo ogrzewając się i wzbogacając w parę wodną. W rezultacie zachodzi stopniowa, rozciągnięta w czasie i przestrzeni, transformacja masy z suchego powietrza aerologicznego (w centralnych częściach wyżów subtropikalnych) w powietrze zwrotnikowo-morskie a następnie równikowe. Wraz z zachodzącymi procesami transformacji, zasób energii w tym powietrzu stopniowo rośnie, rośnie również jego chwiejność. Tam gdzie powierzchnia oceanu osiąga najwyższą temperaturę, lokuje się strefa zbieżności pasatów, w której działanie pasatów ustaje i wykształca się strefa pogód MSZ-u (Międzyzwrotnikowej Strefy Zbieżności). W strefie MSZ-u powietrze równikowe (o temperaturze około 27-28°C i wilgotności względnej 93-95%) trafiając nad cieplejszą o około 1-2°C od niego wodę, rozpoczyna lawinowo unosić się ku górze, tworząc pas chmur Cumulonimbus, których wierzchołki sięgają 15-17 kilometrów. Przyczyną tego jest to, że poziom kondensacji wznoszące powietrze osiąga już na wysokości około 300-400 m i na tej wysokości równowaga chwiejna we wznoszącym się powietrzu przekształca się w równowagę skrajnie chwiejną. Uwalniające się w trakcie procesu kondensacji we wznoszącym się powietrzu gigantyczne zasoby ciepła jawnego powodują, że ilość wznoszącego się powietrza staje nieco większa od poziomej dostawy powietrza przez pasaty i ciśnienie pod strefą MSZ-u obniża się, tworząc wspomnianą "równikowy" pas obniżonego ciśnienia. W ten sposób pobrane przez przemieszczające się powietrze ciepło z powierzchni oceanu (głównie w postaci utajonego ciepła parowania) staje się "paliwem", napędzającym "silnik" komórki Hadleya (zamiana energii cieplnej w energię kinetyczną).

    Wraz z aktywizacją procesów konwekcji w MSZ następuje spadek ciśnienia w pasie niskiego ciśnienia lokującej się pod MSZ, i jednocześnie - wzrost ciśnienia w strefie  wyżów zwrotnikowych, jeśli zarówno pas niskiego ciśnienia, jak i wyż zwrotnikowy znajdują się na tej samej półkuli (Nie należy jednak wyobrażać sobie, że powietrze "wychodzące" z danego wyżu, trafia, po uniesieniu go w MSZ-cie do wysokości granicy tropopauzy, do tego samego antycyklonu). Prowadzi to do zaostrzenia się gradientów barycznych i aktywizacji pasatu. Wzrost prędkości pasatu przyspiesza pobór ciepła z powierzchni oceanu, a tym samym zmniejsza jego zasoby w wodach i temperaturę wód powierzchniowych. W momencie, gdy zasoby ciepła (głównie utajonego) w powietrzu pasatów maleją, konwekcja w MSZ zmniejsza swoje natężenie, rośnie nieco ciśnienie w "równikowej" bruździe obniżonego ciśnienia i jednocześnie słabą wyże / wyż zwrotnikowy. Tym samym i intensywność pasatów się zmniejsza. Zmniejszenie prędkości pasatu powoduje zmniejszenie natężenia poboru ciepła z wód, tym samym zarysowują się warunki do stopniowego wzrostu temperatury oceanu, o ile na przeszkodzie temu nie staną wielkoskalowe procesy hydrologiczne funkcjonujące w oceanie. W dalszej konsekwencji wzrost zasobów ciepła w wodach przyczynia się do wzrostu zasobów ciepła w powietrzu... i ponownej aktywizacji konwekcji w MSZ.

    MSZ, a zatem i "równikowy" pas niskiego ciśnienia zawsze lokuje się tam, gdzie temperatura powierzchni oceanu jest najwyższa (a więc niekoniecznie nad równikiem, stąd też określenie "równikowy" wzięte jest w cudzysłów). Strefa ta "wędruje" w ciągu roku "za Słońcem", opóźniając się od 4 do 6 tygodni w stosunku do zmiany deklinacji. W efekcie przemieszczania się strefy MSZ-u (i sezonowego przemieszczania się osi wyżów zwrotnikowych) również intensywność pasatów wykazuje sezonową zmienność.  

    W najprostszym ujęciu ENSO stanowi rezultat współdziałania cyrkulacji oceanicznej i atmosferycznej w strefie równikowej Pacyfiku. Weźmy za punkt wyjścia sytuację, w której strefa wód równikowych po wschodniej stronie Pacyfiku (długości geograficznych od 150 do 90°W), jest wygrzana silniej niż przeciętnie. W takiej sytuacji MSZ lokuje się nad tą strefą. Wiejący od Wyżu Południowopacyficznego w stronę równika intensywny pasat SE powoduje:

1. Na powierzchni intensyfikację przenosu wody na zachód (intensyfikuje się Prąd Południoworównikowy Pacyfiku; prąd wiatrowy na powierzchni). Woda przemieszczając sie z tym prądem w niskich szerokościach na zachód, stopniowo się nagrzewa, stając się ciepła w środkowej części równikowego Pacyfiku i bardzo ciepła ("przegrzana") w zachodniej części Pacyfiku. Po dotarciu silnie wygrzanych wód do zachodnich części Pacyfiku, tworzy się tam wielka "plama" wód o temperaturze wyższej od temperatury średniej (wielka obszarowo dodatnia anomalia temperatury powierzchni oceanu), nad którą następuje występowanie ożywionej konwekcji prowadzące do wystąpienia intensywnych opadów w rejonie Nowej Gwinei, NE Australii, Indonezji. W tym samym czasie intensywny pasat wiejący z S-SE wzdłuż wybrzeży północnego Chile, Peru aktywizuje Prąd Peruwiański i upwelling działający wzdłuż wybrzeża ; temperatura wód przy zachodnim wybrzeżu Południowej Ameryki staje się niska (ujemna anomalia temperatury powierzchni oceanu), niższa od temperatury powietrza, co powoduje brak warunków do wystąpienia konwekcji (równowaga skrajnie stała). Przy wybrzeżach północnego Chile i Peru występuje okres bezopadowy. (faza La Nina).

2. W tym samym czasie w głębi następuje przenos wody prostopadle w lewo od kierunku wiatru. Powoduje to "spychanie" wód w strefie równikowej na południe. Ubytki tej wody "uzupełnia" chłodna woda podnosząca się z głębszych warstw oceanu, poziom termokliny zbliża się do powierzchni oceanu, co pociąga za sobą spadek temperatury powierzchni oceanu w strefie równikowej. W rezultacie po wschodniej stronie równikowego Pacyfiku temperatura powierzchni oceanu stopniowo obniża się, napływające z SE powietrze staje się cieplejsze od wody.  W takich warunkach w strefie równikowej wschodniej części Pacyfiku brak warunków do wystąpienia konwekcji (inwersja; równowaga skrajnie stała) i tym samym występowania nad tym obszarem strefy obniżonego ciśnienia. Niesione przez pasat SE powietrze zwrotnikowo-morskie przechodzi przez równik, zmienia kierunek na SW (zmiana znaku siły Coriolisa wraz ze zmianą półkuli). MSZ (Miedzyzwrotnikowa Strefa Zbieżności) przenosi się na półkulę północną, nad obszar wód o najwyższej temperaturze (8-10°N) i tam występują obfite opady. Ten sam proces powoduje aktywizację Prądu Równikowego Wstecznego Pacyfiku, transportującego bardzo ciepłe wody na wschód, pod brzegi Ameryki Środkowej. Zasięg strefy bezopadowej przy zachodnich wybrzeżach Ameryki Południowej przemieszcza się na północ. W strefie od 0 do 25°-35°S występuje okres bezopadowy. Jest to pełnia fazy La Nina. Rysunek obok przedstawia zróżnicowanie temperatury wody w Oceanie Spokojnym podczas tej fazy oscylacji południowych. Wzdłuż wybrzeża Chile i Peru płyną zimne wody Prądu Peruwiańskiego (na mapie kolor niebieski)

3. Spadek temperatury wody w strefie równikowej i przeniesienie MSZ-u na półkulę północną powodują osłabienie pasatu półkuli południowej. Przyczyną tego jest początkowo zmniejszenie gradientu barycznego między Wyżem Południowopacyficznym a MSZ (wzrost odległości między tymi ośrodkami barycznymi). Z czasem słabnie również Wyż Południowopacyficzny i maleją różnice ciśnienia między Wyżem Pacyficznym a MSZ-em, co dodatkowo zmniejsza gradient baryczny między tymi ośrodkami. W konsekwencji wydatnego osłabienia pasatu SE w środkowej i wschodniej części Pacyfiku Prąd Południowo-Równikowy zaczyna zwalniać. Dostawa przegrzanych wód do zachodniej części Pacyfiku (rejon Indonezji, Nowej Gwinei) stopniowo maleje. Temperatura wód powierzchniowych w tym rejonie (W część równikowego Pacyfiku) stopniowo spada, konwekcja słabnie, opady maleją. Stopniowo dochodzi do przekształcania się fazy umiarkowanych opadów do fazy skąpości opadów, nad NE częścią Australii do fazy suszy. Również przenos wód na południe ulega osłabieniu, w strefie równikowej wody z głębi wolniej unoszą sie ku powierzchni, jest wystarczająca ilość czasu, aby sie nagrzały. Dodatkowo procesom nagrzewania wód w strefie równikowej sprzyja przesunięcie się strefy MSZ-tu na północ. W strefie równikowej wobec występowania równowagi skrajnie stałej i braku konwekcji, zdecydowanie zmniejsza się zachmurzenie, co powoduje wzrost natężenia promieniowania słonecznego (głównie bezpośredniego) docierającego do powierzchni oceanu. Temperatura powierzchni wody w strefie równikowej stopniowo rośnie. Gdy osiągnie odpowiednia wartość, wyższą od temperatury wody w strefie szerokości 8-10°N, MSZ "rozdwaja się". Strefa konwergencji pasatów półkuli południowej przenosi sie nad równik. Wzrost temperatury wody i występujące ponownie w strefie równikowej procesy konwekcji powodują wystąpienie opadów w strefie przyrównikowej (wybrzeża Ekwadoru i północnego Peru). Pojawia się słabo zarysowana faza El Niño.

4. W trakcie przenoszenia sie MSZ nad równik, znajdujące się po wschodniej stronie Pacyfiku przegrzane wody z rejonu wybrzeży Ameryki Środkowej, przestają być utrzymywane w swoim położeniu ("spychane") przez wiejący uprzednio na NE pasat półkuli południowej przechodzący przez równik. Po "rozdwojeniu" się MSZ, między strefą zbieżności pasatów półkuli północnej (północna MSZ; około 8°N) a strefą zbieżności pasatów półkuli południowej (południowa MSZ; 2°S - 0°) wieją stosunkowo silne wiatry zachodnie, które aktywizują Prąd Równikowy Wsteczny Pacyfiku. Prąd ten powoduje wzmożenie zasilania obszaru przegrzanych wód przy wybrzeżu Ameryki Środkowej. Oba te czynniki stanowią przyczynę wystąpienia silnej ekspansji bardzo ciepłych wód na południe - wzdłuż wybrzeża Kolumbii, następnie Ekwadoru, Peru i południowego Chile. Ekspansji tej sprzyja wcześniejsze osłabienie Prądu Peruwiańskiego (stanowiące efekt poprzedniego osłabienia Wyżu Południowopacyficznego). U wybrzeży Ekwadoru, Peru i północnego Chile rozprzestrzeniają sie bardzo ciepłe wody, "spychające" chłodniejsze wody dalej od wybrzeża na zachód. Wystąpienie strefy przegrzanych wód w strefie przybrzeżnej w szerokościach 0° - 25-35°S pociąga za sobą wzrost zawartości pary wodnej w powietrzu i stwarza dogodne warunki do wystąpienia silnej chwiejności atmosfery. Rozwijają się na dużą skalę procesy konwekcji, powodujące wystąpienie w tym, normalnie pustynnym obszarze (Peru, północne Chile) obfitych opadów (kulminacja fazy El Niño). Rysunek obok przedstawia zróżnicowanie temperatury wody w Oceanie Spokojnym podczas tej fazy oscylacji południowych. Wyraźnie widać (kolor czerwony i pomarańczowy), że wzdłuż pacyficznego wybrzeża Ameryki Południowej znajdują się wody bardzo ciepłe.

Stwierdzono, że wpływy El Nino sięgają daleko poza basen Pacyfiku. Dla służb meteorologicznych najtrudniej jest przewidzieć właśnie te dalekosiężne zależności. Po wystąpieniu El Nino w 1982/83 r. już nikt nie wątpił, że zjawiska meteorologiczne zachodzące w jednej części świata mają wpływ na zjawiska meteorologiczne w innej części kuli ziemskiej. Zauważono między innymi, że ogrzanie w szczytowej fazie El Niño środkowego i wschodniego Pacyfiku powoduje również:

- cieplejsze i suche zimy na północno - wschodnim Pacyfiku,
- cieplejsze i bardziej wilgotne zimy nad Zatoką Meksykańską,
- duże opady w północno - zachodniej Afryce,
- brak monsunów w Indiach,
- susze w Australii i Indonezji.

5. Wzrost temperatury wody w strefie równikowej i przeniesienie nad ten obszar MSZ oraz "równikowego" pasa obniżonego ciśnienia powoduje zaostrzenie się gradientu barycznego, skutkiem początkowo zmniejszenia odległości między centrum Wyżu Południowopacyficznego. Aktywizuje się pasat półkuli południowej, wzmacnia się Wyż Południowopacyficzny. Wraz z aktywizacją pasatu SE wzmaga sie transport wód w Prądzie Południoworównikowym Pacyfiku na W, słabnie przenos ciepłych wód w Prądzie Równikowym Wstecznym na wschód, zaczyna narastać intensywność przenosu wód podpowierzchniowych w warstwie tarcia na południe, powoli aktywizuje się Prąd Peruwiański i upwelling u wybrzeży powodując spadek temperatury wód u wybrzeży północnego Chile, Peru a następnie Ekwadoru. Opady wzdłuż wybrzeży tych krajów stopniowo się zmniejszają aż do wystąpienia okresu bezopadowego. Stopniowo faza El Niño słabnie i przechodzi w fazę La Nina  - i patrz pkt. 1 - zjawisko sie powtarza.

    Zmiana deklinacji Słońca powoduje, że wraz z przechodzeniem kulminacji Słońca na półkulę południową, strefa cieplejszych wód, a tym samym i MSZ, przemieszczają się corocznie na południe od równika. Najdalszy zasięg na południe strefa nagrzanych wód osiąga w końcu grudnia i w tym samym okresie ciepłe wody z rejonu położonego na północ od równika ekspandują najdalej na południe. Z powodu zbieżności terminu (czasu) ekspansji ciepłych wód na południe ze świętami Bożego Narodzenia, zjawisko to nazwano El Niño (Dzieciątko).  Tak więc w sytuacji, gdy proces osiąga przeciętne natężenie, wykazuje on cykliczność quasi-roczną.

   Przejście od fazy kulminacji fazy El Niño od kulminacji fazy La Nina cechuje sie quasiokresowością około 3,5 - 4,5 letnią, a natężenie kolejnych faz nie jest jednakowe. Zmienność ta jest związana głównie ze zmienną ilością i zmienną temperaturą wód dostarczanych ze strefy subantarktycznej (Prąd Dryf Wiatrów Zachodnich) do Prądu Peruwiańskiego. W przypadku dostawy większej ilości chłodnych wód do Prądu Peruwiańskiego, ich wpływ (po przeniesieniu ich z prądem na północ) może kompensować procesy nagrzewania powierzchni oceanu w strefie wybrzeża Peru i opóźnić nadejście fazy El Niño. W przypadku osłabienia dostawy wód subantraktycznych do Prądu Peruwiańskiego lub ich nieco wyższej temperatury, faza El Niño ulec może przyspieszeniu lub "rozciągnięciu w czasie" (wydłużeniu).

El Niño z lat 1997/1998 należało bez wątpienia do największego fenomenu klimatycznego Ziemi przynajmniej od roku 1877/1878. Po raz pierwszy ludzkość dzień po dniu wiedziała o tworzeniu się El Niño i to z wielomiesięcznym wyprzedzeniem. Biuletyny Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO) już w kwietniu 1997 roku sygnalizowały zbliżanie się El Niño, które rzeczywiście wystąpiło z niezwykłą siłą w grudniu 1997 roku.

Na początku tego roku uczeni zebrali niepokojące dane o wzroście temperatury na dużym obszarze Pacyfiku o długości blisko 10000 km (ok. 1 obwodu Ziemi).

Podczas wystąpienia "El Niño stulecia" w latach 1982/1983 różnica temperatury wód Pacyfiku w stosunku do normy wynosiła +3,5o C, natomiast w grudniu 1997 roku, kiedy El Niño osiągnęło swój szczyt, rekordową wartość aż +5o C 

W tym czasie w głębinach oceanu uformował się obszar chłodnej wody, który zaczął przywracać stan normalny i późniejsze La Nina, co przewidziały główne ośrodki prognostyczne w USA, krajach Ameryki Południowej, Indiach i Australii.

Niektóre zjawiska atmosferyczne, które wystąpiły od grudnia 1997 do lutego 1998 roku.:

- niższe niż zazwyczaj ciśnienie atmosferyczne nad Tahiti,
- wyższe niż zwykle ciśnienie nad Darwin w Australii,
- północno - wschodnie i południowo -wschodnie pasaty wiejące wzdłuż MSZ stają się tak słabe, że pozwalają "ciepłemu morzu" z rejonów Australii i Indonezji przemieszczać się wzdłuż strefy równikowej na wschód,
- wzdłuż MSZ tworzy się więcej chmur niż zwykle,
- przesunięty bardziej na południe przez niższe ciśnienie atmosferyczne podzwrotnikowy prąd strumieniowy (jet stream) przemieszcza chmury z rejonów Oceanu Spokojnego na wschód i zwiększa ilość huraganów na południe od Kalifornii i na zachód od Meksyku (np. huragan "Linda" z 1997 roku - jeden z największych huraganów w historii odnotowany na wschodzie Pacyfiku.

Prędkość wiatru osiągnęła 300 km/h !

- podążając dalej na wschód przez południową część Ameryki Północnej wiatry podzwrotnikowego prądu strumieniowego skutecznie utrudniają rozwój huraganom atlantyckim. Według prof. Wiliama Graya w latach El Nino aktywność huraganów atlantyckich spada o około 40%, ponieważ wiatry prądu strumieniowego dosłownie cyt. "ucinają głowy niedoszłym huraganom atlantyckim". To odkrycie prof. W. Graya umożliwiło dokładniejsze przewidywanie częstotliwości występowania huraganów atlantyckich w latach El Niño i La Nina.

Ponadto odnotowano:

- w Indiach brak monsunu,
- w Oceanii ulewne deszcze,
- w północno - zachodniej Ameryce Południowej ulewne deszcze, rekordowe powodzie i lawiny błotne,
- u wybrzeży Chin i Indii oraz w krajach Ameryki Środkowej - huragany,
- w Chile burze, w Andach opady śniegu,
- w Brazylii w wyniku suszy pożary strawiły 50 tys. km2 lasów,
- wybrzeża Zatoki Meksykańskiej i Florydy były niszczone przez sztormy i tornada,
- w rejonie Peru, Ekwadoru brak ryb będący efektem zaniku zimnego Prądu Peruwiańskiego, poziom Pacyfiku wzrósł o ok. 30 - 70 cm, zatapiając wsie i miasteczka, powodzie zerwały około 300 mostów i zniszczyły 30 tys. domów,
- spływające wody powodziowe zalały pustynię Sechura, tworząc drugie co do wielkości jezioro Peru o długości 150 km, szerokości 30 km i głębokości 3 m,
- w południowej części USA niespotykane wcześniej ulewy,
- w Kalifornii były największe opady deszczu w historii tego kraju i najwięcej burz; lawiny błotne całkowicie zniszczyły wiele osiedli od Kalifornii po Mississipi,
- w Ameryce Północnej burze śnieżne i niespotykane wcześniej zalodzenie. Pod wpływem ciężaru lodu łamały się słupy wysokiego napięcia,
- w północno - wschodniej Australii, Indonezji, na Filipinach, w Tajlandii i Indiach były wielomiesięczne susze, a także w północno - wschodniej części Ameryki Południowej i w południowo - wschodniej Afryce,
- w Sudanie i Kenii katastrofalne deszcze,
- w Australii, Indonezji (Borneo, Sumatra i Malezja) szalały niespotykane pożary,
- w północnej i wschodniej Tanzanii, wschodniej Zambii, w północnej i wschodniej Malawii, w północnym Mozambiku i północno - zachodniej Namibii zanotowano opady powyżej normy,
- w Europie środkowej (Polska, Czechy, Włochy, Niemcy) były rekordowe powodzie,
- na Hawajach w dniu 28 stycznia 1998 r. wystąpiły rekordowe, niewiarygodnie duże fale od 8 do 15 metrów (zazwyczaj 4 - 8 m); z uwagi na bezpieczeństwo zawodników odwołano międzynarodowe zawody surfingowe.

Zgodnie z prognozami szczyt ochłodzenia La Nina nastąpił w grudniu 1998 roku. Nastąpiło "odwrócenie" zjawisk, które wywołują El Nino:

- nad Tahiti utworzył się silny wyż,
- nad Darwin utworzył się niż,
- wiejące na zachód pasaty były tak silne, że zepchnęły "ciepłe morze" dalej na zachód niż zazwyczaj, wywołując deszcze monsunowe w Indiach, ulewy w północnej Australii, Indonezji, w południowej Afryce i na Madagaskarze,
- podzwrotnikowy prąd strumieniowy stał się słaby, pozwalając atlantyckim huraganom przemieszczać się w rejon Zatoki.

Meksykańskiej, wzrastać na sile i poruszać się dalej na północny zachód.

Huragany atlantyckie nie napotkawszy na opór wiatrów zachodnich, stają się silniejsze i prawdopodobieństwo ich uderzenia na USA staje się ok. dwukrotnie większe. Na przykład sezon huraganów 1998 r. związany z La Nina spowodował najwięcej ofiar śmiertelnych od około 200 lat.

GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA