Simulasi Baru Mempertanyakan Peran Stream Gulf dalam Mengatasi Musim Dingin Eropa


Secara singkat Tiga studi iklim baru menunjukkan bahwa keyakinan lama kita tentang peran Gulf Stream dalam mengendalikan musim dingin di Eropa mungkin tidak benar. Namun studi itu sendiri tidak setuju. Dua dari tiga studi menganggap peran besar yang mengejutkan terhadap arah angin yang ada, dan satu fokus pada panas yang hilang dari lautan

Secara singkat

  • Tiga studi iklim baru menunjukkan bahwa keyakinan lama kita tentang peran Gulf Stream dalam mengendalikan musim dingin di Eropa mungkin tidak benar. Namun studi itu sendiri tidak setuju.
  • Dua dari tiga studi menganggap peran besar yang mengejutkan terhadap arah angin yang ada, dan satu fokus pada panas yang hilang dari lautan.
  • Banyak model iklim menunjukkan bahwa pencairan es Arktik yang luas tidak akan benar-benar menutup Arus Teluk, seperti yang diperkirakan sebelumnya.
  • Pengaruh laut terhadap iklim di Eropa dan tempat lain akan menjadi lebih jelas dalam satu dekade, karena sekarang ada lebih dari 3.000 sensor laut terapung global yang disebut Argo membuat peta suhu dan salinitas mendekati waktu-nyata hingga 2.000 meter.

Selama satu abad, anak-anak sekolah telah diajari bahwa arus samudra masif yang dikenal sebagai Gulf Stream membawa air hangat dari Samudra Atlantik tropis ke Eropa barat laut. Begitu tiba, air memanaskan udara di atasnya. Udara itu bergerak ke pedalaman, membuat hari-hari musim dingin di Eropa lebih ringan daripada di timur laut AS

Mungkin sudah waktunya untuk pensiun dari cerita yang rapi itu. Ledakan minat terhadap iklim global telah mendorong para ilmuwan untuk mempelajari efek iklim dari Gulf Stream hanya untuk menemukan bahwa efek itu tidak sejelas yang disarankan oleh kebijaksanaan konvensional. Berdasarkan pekerjaan pemodelan dan data lautan, penjelasan baru telah muncul mengapa musim dingin di Eropa utara pada umumnya kurang pahit daripada musim dingin di lintang yang sama di AS timur laut dan Kanada — dan model berbeda pada peran Gulf Stream. Salah satu penjelasan juga memberikan wawasan mengapa musim dingin di AS Barat Laut lebih hangat daripada di seluruh Pasifik di Rusia timur.

Pada saat yang sama, penelitian baru-baru ini telah menimbulkan keraguan pada dugaan populer yang dibuat beberapa tahun yang lalu bahwa pencairan es Kutub Utara dapat "menutup" Arus Teluk, sehingga menimbulkan kekacauan dengan cuaca Eropa. Namun penelitian menunjukkan bahwa perubahan iklim setidaknya dapat mempengaruhi kekuatan Arus Teluk, yang dapat mengurangi dampak pemanasan global di Eropa utara.

Teori yang Bersaing

Variasi iklim di seluruh dunia terutama berasal dari bentuk bola bumi. Karena sinar matahari lebih tegak lurus terhadap permukaan bumi pada garis lintang lebih rendah, sinar matahari memberikan lebih banyak panas per satuan luas di sana daripada di garis lintang lebih tinggi. Pemanasan diferensial ini menyebabkan angin atmosfer yang berlaku, yang ketidakstabilannya mendistribusikan panas itu dari daerah tropis ke kutub. Lautan, yang meliputi 70 persen bumi, juga memainkan peran utama dalam redistribusi ini. Dua meter bagian atas lautan menyimpan lebih banyak panas matahari daripada seluruh atmosfer di atas lautan karena panas spesifik (properti yang menentukan kapasitas untuk menyimpan panas) meter kubik air sekitar 4.000 kali lebih besar daripada volume udara yang sama. (dan sekitar empat kali lebih besar daripada tanah). Suhu air di atas 100 hingga 200 meter dari samudra di midlatitudes mungkin bervariasi 10 derajat Celcius lebih dari setahun, menyimpan dan melepaskan jumlah panas yang sangat besar dibandingkan dengan atmosfer atau daratan. Dan karena arus laut, seperti Arus Teluk, menggerakkan air di seluruh dunia, panas yang diperoleh di musim panas di satu tempat kemudian dapat dilepaskan ke atmosfer yang berjarak ribuan kilometer.

Mengingat bahwa pergerakan dan kemampuan lautan untuk menyimpan panas, mudah untuk berhipotesis bahwa arus laut mungkin bertanggung jawab atas fakta bahwa suhu udara musim dingin di Irlandia, sekitar 50 derajat lintang utara, hampir 20 derajat C lebih hangat daripada di lintang yang sama melintasi Atlantik di Newfoundland. Demikian pula, suhu udara di 50 derajat lintang utara di Pasifik timur, dekat Vancouver, sekitar 20 derajat C lebih hangat daripada mereka di lintang yang sama di ujung selatan Semenanjung Kamchatka Rusia.

Pada abad ke-19 ahli geografi dan ahli kelautan Matthew Fontaine Maury adalah orang pertama yang mengaitkan iklim Eropa barat laut yang relatif ringan dengan Gulf Stream. Arus samudera yang kuat ini mengalir ke utara di sepanjang pantai tenggara AS, sebuah produk perairan hangat dari subtropis dan tropis. Pada sekitar garis lintang Cape Hatteras, NC, Gulf Stream berbelok ke timur laut dan mengalir keluar ke Atlantik. Maury menduga bahwa Arus Teluk memasok panas ke angin barat yang bergerak melintasi Atlantik menuju Eropa barat laut. Dia juga berspekulasi bahwa jika Arus Teluk entah bagaimana berkurang kekuatannya, angin musim dingin akan jauh lebih dingin dan bahwa Eropa akan mengalami musim dingin gaya Kutub Utara. Selama bertahun-tahun, gagasan Maury menjadi hampir aksiomatik — dan sampai saat ini, gagasan itu juga sebagian besar masih belum diuji.

Satu dekade yang lalu, bagaimanapun, Richard Seager dari Lamont-Doherty Earth Observatory dari Universitas Columbia dan rekan-rekannya menghasilkan penjelasan untuk musim dingin yang lebih hangat di Eropa yang tidak ada hubungannya dengan Gulf Stream. Studi pemodelan Seager menunjukkan bahwa ketika aliran jet atmosfer, yang mengalir di sekitar bumi dari barat ke timur, mengenai Pegunungan Rocky, ia mulai terombang-ambing ke utara dan selatan. Osilasi menghasilkan angin yang mengalir dari barat laut ke sisi barat cekungan Atlantik dan dari barat daya ke sisi timur Atlantik. Angin barat laut membawa udara kontinental dingin ke AS timur laut, sedangkan angin barat daya membawa udara laut hangat ke Eropa barat laut.

Dalam pandangan ini, bukan panas yang dibawa oleh Gulf Stream yang memoderasi iklim Eropa. Alih-alih, panas yang disimpan di lepas pantai Eropa, di atas 100 meter lautan selama musim panas, dilepaskan ke atmosfer di musim dingin ketika angin barat daya mencampur permukaan air lautan. Dalam skenario ini, dugaan klasik Maury tidak benar: pola angin skala besar yang diarahkan oleh pegunungan, ditambah penyimpanan panas lokal oleh laut di dekat Eropa, mengatur perbedaan suhu antara sisi barat dan timur Atlantik [ lihat kotak di dua halaman selanjutnya ].

Penting untuk diingat bahwa simulasi model Seager tidak secara eksplisit mempertimbangkan pengangkutan panas oleh lautan, titik yang dibahas dalam sebuah penelitian yang dirilis segera setelah Seager oleh Peter Rhines dari University of Washington dan Sirpa Häkkinen dari NASA Goddard. Pusat Penerbangan Luar Angkasa. Mereka mengajukan kontra dokumen yang menawarkan dukungan modern untuk ide-ide sejarah Maury. Setelah memeriksa data suhu permukaan laut yang diarsipkan, kedua ahli oseanografi menyimpulkan bahwa jumlah panas yang tersimpan di lapisan atas Samudra Atlantik timur di garis lintang Eropa utara cukup untuk mempertahankan suhu udara ringan hanya sampai Desember rata-rata tahun. Panas tambahan yang diperlukan untuk memoderasi iklim selama sisa musim dingin harus diimpor dari tempat lain. Sumber yang paling mungkin: Gulf Stream yang mengalir ke arah timur laut.

Pengukuran menunjukkan bahwa pada 35 derajat lintang utara — kira-kira garis lintang North Carolina — Atlantik Utara mengangkut sekitar 0, 8 petawatt panas ke utara, sebagian besar oleh Gulf Stream. Namun pada 55 derajat lintang utara — lintang Labrador di Kanada — pengangkutan panas poleward ini sangat kecil. Kemana perginya semua panas? Rhines dan Häkkinen menyarankan agar dilepaskan oleh lautan ke atmosfer di sepanjang jalur Gulf Stream. Angin yang berlaku kemudian membawa panas ke timur, di mana itu memoderasi iklim Eropa. Rhines dan Häkkinen pada dasarnya berpendapat untuk dugaan Gulf Stream Maury, dan Seager menentangnya, dengan fokus pada peran aliran jet atmosfer.

Pada 2011 Yohai Kaspi, sekarang di Weizmann Institute of Science di Rehovot, Israel, dan Tapio Schneider dari California Institute of Technology meluncurkan ide ketiga, berdasarkan percobaan numerik baru dari atmosfer dan lautan. Mereka menyarankan tingkat kebenaran dalam skenario Seager dan Rhines tetapi sebagian besar berkonsentrasi pada pola tekanan atmosfer. Model Kaspi dan Schneider menunjukkan bahwa hilangnya panas dari lautan ke atmosfer di sepanjang jalur Gulf Stream tempat ia meninggalkan Pantai Timur AS menghasilkan sistem tekanan rendah stasioner dan atmosferik ke timur — di sisi Eropa Atlantik . Itu juga menciptakan sistem tekanan tinggi stasioner ke barat — di atas ujung timur benua Amerika Utara. Untuk alasan yang kompleks, hasil bersih dari pola ini adalah bahwa sistem tekanan rendah stasioner memberikan udara hangat ke Eropa barat melalui angin barat daya aliran jet, yang mengambil panas yang dikeluarkan sepanjang musim dingin oleh Gulf Stream. Tinggi stasioner menarik udara dingin dari Kutub Utara, mendinginkan Amerika Utara bagian timur dan meningkatkan kontras suhu antara Amerika Utara dan Eropa.

Jadi, perbedaan iklim di seluruh Atlantik muncul bukan hanya karena Eropa barat menghangat tetapi juga karena Amerika Utara bagian timur menjadi lebih dingin. Kedua wilayah memiliki suhu karakteristiknya karena pola sirkulasi atmosfer yang ditimbulkan oleh hilangnya panas dari lautan di sekitar Gulf Stream.

Namun, jumlah kehilangan panas dari Gulf Stream yang diperlukan untuk membangun sirkulasi ini tidak dapat dipertahankan hanya dari panas yang diperoleh pertengahan Atlantik selama musim panas. Panas yang diangkut oleh Gulf Stream, dari lintang yang lebih rendah, juga dibutuhkan. Dalam hal ini, Kaspi dan Schneider memberikan kepercayaan pada ide-ide Maury sebelumnya. Meskipun sistem tekanan rendah dan tekanan tinggi atmosfer diciptakan tanpa perlu memohon pengaruh Rockies pada aliran jet, karya baru ini menyoroti pentingnya angin barat daya dalam membawa kehangatan ke Eropa.

Menariknya, model Kaspi-Schneider juga dapat menjelaskan mengapa Oregon bagian barat, Negara Bagian Washington, dan British Columbia memiliki musim dingin yang jauh lebih ringan daripada yang dialami Kamchatka. Kontras transpasifik ini tidak pernah dikaitkan dengan kehadiran Kuroshio, mitra dari Gulf Stream di Pasifik, terutama karena Pasifik adalah lautan yang jauh lebih besar dan Kuroshio adalah arus yang jauh lebih lemah daripada Gulf Stream di sebagian besar wilayah itu. Namun hasil Kaspi-Schneider akan menyarankan bahwa panas yang hilang di atas Kuroshio dapat menyebabkan sistem tekanan atmosfer yang stasioner, mirip dengan yang di dekat Gulf Stream di Atlantik. Sistem ini akan mengirimkan udara kutub dingin ke Asia barat laut melalui angin barat laut di sana, dan angin barat daya akan mengirimkan udara hangat ke Pantai Pasifik AS bagian utara.

Mematikan Arus Teluk

Juri masih keluar pada model mana yang benar, meskipun skenario Kaspi-Schneider tampaknya masuk akal. Bagian kedua dari dugaan Maury - bahwa penghentian Arus Teluk akan menyebabkan musim dingin yang lebih intens di Eropa barat laut - juga baru-baru ini menghasilkan minat yang besar. Selama bertahun-tahun sifat peran Gulf Stream dalam perubahan iklim telah dibingkai sebagai pertanyaan ini: Jika iklim yang lebih hangat mencairkan es Arktik, akankah kelebihan air tawar yang memasuki lautan di Atlantik utara mengurangi sirkulasi terbalik di sana, menutup Teluk Streaming dan merampok Eropa barat laut dari sumber panas yang penting?

Sirkulasi menjungkirbalikkan terdiri dari perairan atas hangat di Atlantik Utara yang bergerak ke utara menuju kutub dan perairan dalam dingin yang bergerak ke selatan menuju khatulistiwa. Arus yang dangkal dan dalam ini terhubung untuk membentuk sesuatu dari sabuk konveyor dengan menenggelamkan, atau merosot, air permukaan pada lintang tinggi di laut Labrador dan Nordic dan oleh air dalam di tempat lain di cekungan global yang naik, atau naik, ke permukaan . Intinya, air dingin yang tenggelam di Atlantik Utara utara digantikan oleh perairan permukaan yang relatif hangat yang berada di tempat lain di lautan global.

Dalam banyak skenario pemanasan iklim, pencairan es Kutub Utara akan menambah sejumlah besar air tawar ke lautan di lintang tinggi. Karena air tawar kurang asin (dan dengan demikian kurang padat) daripada air laut, ia mungkin tidak tenggelam — sehingga downwelling yang memberi makan arus dalam sirkulasi terbalik akan terhambat. Dalam hal ini, tidak akan ada persyaratan fisik untuk perairan dalam yang hangat untuk naik di tempat lain karena tidak akan ada downwelling untuk mengimbanginya; karena itu, tanpa air hangat baru yang naik ke permukaan, aliran air seperti itu ke utara — Aliran Teluk — mungkin berkurang. Skenario alternatif menyatakan bahwa penambahan air tawar di lintang tinggi akan mengalihkan Arus Teluk lebih jauh ke selatan atau mengurangi kekuatannya. Dalam kedua kasus tersebut, Gulf Stream yang melemah atau dialihkan akan memberikan lebih sedikit panas bagi musim dingin Eropa. Banyak model yang sangat memprediksi bahwa penurunan sirkulasi terbalik berkorelasi dengan pendinginan berikutnya di Atlantik Utara dan Eropa barat laut.

Namun studi pemodelan baru-baru ini dengan resolusi yang lebih tinggi dari arus laut menunjukkan bahwa pencairan Arktik segar mungkin sebagian besar mengalir ke arus yang lebih terbatas pada garis pantai dan oleh karena itu memiliki pengaruh yang lebih kecil pada lautan terbuka, di mana terjadi downwelling terutama. Bahkan jika air tawar secara signifikan memengaruhi jumlah perairan di Atlantik Utara, sangat kecil kemungkinannya bahwa perubahan ini secara efektif akan menutup Arus Teluk. Shutdown tidak mungkin karena jalur dan kekuatan Gulf Stream sangat tergantung pada kecepatan dan arah angin midlatitude skala besar. Dalam sebagian besar skenario perubahan iklim, arah umum angin skala besar tidak berubah secara signifikan ketika es Kutub Utara mencair, sehingga jalur umum dan kekuatan Arus Teluk tidak banyak berubah. Namun, perluasan dari Gulf Stream ke arah timur laut — cabang yang relatif kecil yang membawa perairan bagian atas yang hangat ke daerah sub-kutub — dapat berpotensi terganggu. Dengan demikian, bobot bukti menunjukkan bahwa Aliran Teluk akan bertahan, tetapi tidak jelas berapa banyak air Aliran Teluk akan dibawa ke utara di bawah skenario iklim yang berbeda.

Lebih Banyak Data, Resolusi Lebih Baik

Saat ini, jawaban untuk bagaimana perubahan iklim akan mempengaruhi cuaca Eropa sebagian besar berasal dari percobaan pemodelan. Meski demikian, percobaan memiliki ketidakpastian yang cukup besar yang dapat direkonsiliasi hanya dengan data yang lebih luas dari lautan. Beberapa pengamatan dari lautan terbuka lebih tua dari seabad, dan kami memiliki data satelit untuk sekitar 30 tahun terakhir.

Para ilmuwan baru-baru ini telah membuat kemajuan besar dalam meningkatkan basis data kelautan melalui proyek Argo, kumpulan pengukuran suhu dan salinitas global yang sedang berlangsung dari lebih dari 3.000 sensor mengambang yang tersebar di seluruh dunia. Array Argo, yang digunakan dan dioperasikan oleh AS dan lebih dari 30 negara lain, memungkinkan para ilmuwan untuk membuat peta suhu dan salinitas mendekati waktu nyata di 2.000 meter atas lautan dunia. Array lengkap telah ada selama kurang dari satu dekade, dan kami baru saja mulai menggunakannya untuk menguji secara efektif hubungan antara variabilitas atmosfer dan perubahan di lautan skala besar.

Misalnya, perbandingan data Argo dengan pengamatan lautan dari tahun 1980-an, yang dilakukan oleh Dean Roemmich dan John Gilson dari Scripps Institution of Oceanography, menunjukkan bahwa beberapa ratus meter di atas lautan telah memanas sekitar 0, 2 derajat C di 20 tahun terakhir. Salinitas laut bagian atas juga meningkat secara global sebesar 0, 1 persen kecil — namun di bawah beberapa ratus meter, air laut tampak jauh lebih segar daripada dekade-dekade sebelumnya. Apakah perubahan ini cukup untuk mengubah iklim di Eropa atau di tempat lain tetap menjadi pertanyaan terbuka, tetapi data yang sekarang kita dapatkan dari Argo menawarkan beberapa petunjuk. Agar bumi tidak menjadi hangat atau dingin, input panas dari matahari harus sama dengan jumlah panas yang dipancarkan dari bumi kembali ke ruang angkasa. Akumulasi gas rumah kaca di atmosfer rupanya mengecewakan keseimbangan ini. Pemanasan yang diamati dari 0, 2 derajat C di laut bagian atas konsisten dengan kelebihan radiasi matahari yang masuk melebihi radiasi keluar sekitar satu watt per meter persegi.

Hasil awal dari observatorium lautan kami yang ditingkatkan memberikan masukan yang kuat untuk teori dan model iklim. Hasilnya juga menawarkan petunjuk tentang apa yang mungkin terjadi dalam beberapa dekade mendatang. Dalam 10 tahun ke depan, ketika para ilmuwan memeriksa, bersama-sama, data permukaan laut dari satelit, model komputer dan lebih lama, catatan data bawah permukaan dari Argo, mereka harus dapat menilai peran laut dalam iklim dengan presisi baru. Pada titik itu, kita mungkin akhirnya bisa menentukan bagaimana Arus Teluk akan mempengaruhi perubahan iklim di planet kita yang berair.

Artikel ini awalnya diterbitkan dengan judul "Memikirkan Kembali Arus Teluk" in308, 2, 50-55 (Februari 2013)

LEBIH BANYAK UNTUK MENJELAJAHI

Apakah Arus Teluk Bertanggung jawab atas Mild Winters Eropa? R. Seager et al. dalam Jurnal Quarterly dari Royal Meteorological Society, Vol. 128, No. 586, halaman 2563–2586; Oktober 2002.

Siklus Suhu, Salinitas, dan Tinggi Sterik di Samudra Global 2004-2008 dari Mean dan Tahunan, dari Program Argo. Dean Roemmich dan John Gilson dalam Progress in Oceanography, Vol. 82, No. 2, halaman 81–100; Agustus 2009.

Musim Dingin yang Dingin dari Batas-Batas Benua Timur yang Dipengaruhi oleh Perairan Lautan Hangat. Yohai Kaspi dan Tapio Schneider in Nature, Vol. 471, halaman 621–624; 31 Maret 2011.

ON LINE
Untuk detail lebih lanjut tentang array laut Argo dari 3.000 sensor mengambang di seluruh dunia, lihat ScientificAmerican.com/feb2013/riser

TENTANG PENULIS)

Stephen C. Riser adalah profesor oseanografi di Universitas Washington. Dia juga anggota lama dari Konsorsium Argo AS dan Tim Pengarah Argo internasional.

M. Susan Lozier adalah profesor oseanografi fisik di Sekolah Lingkungan Nicholas di Duke University dan merupakan bagian dari Tim Ilmu Sirkulasi Overturning Overturning Circulation of Atlantic Meridional AS.

Baca Ini Selanjutnya

Apakah Gunung Berapi atau Manusia Lebih Keras di Atmosfer?Kepala Greenpeace Baru Bersiap untuk Mengambil BatubaraWorld Shatters Heat Records pada 2016Membuat Sketsa Permulaan Kehidupan, Satu Sel SekaligusMenjelaskan Pengalaman Tip-of-the-LidahBagaimana Kepiting Menemukan Jalan Pulang100 Hari Pertama ObamaKecurangan Kematian DNA: Bagaimana Perbaikan Extremophile Hancur Kromosom