ม.คอร์เนลล์พยากรณ์ ฤดูหนาวปีนี้มาแรง

ขอบคุณข้อมูลจาก http://phys.org/news/2012-06-arctic-ice-stage-cold-weather.html

จากปรากฏการณ์น้ำแข็งที่ขั้วโลกเหนือละลายเร็วกว่าปกติ และมีปริมาณน้ำแข็งที่ผิวน้ำเหลือน้อยกว่าปกติ ทำให้นักวิทยาศาสตร์จากม.คอร์เนลล์พยากรณ์ฤดูหนาวปีนี้ไว้น่าสนใจทีเดียวครับ

ศจ. Charles H. Greene และ ดร. Bruce C. monger จากภาควิชาวิทยาศาสตร์ปฐพีและบรรยากาศ ม.คอร์เนลล์ ได้กล่าวถึงผลของการเปลี่ยนแปลงน้ำแข็งขั้วโลกเหนือว่า หลายคนคิดว่าการที่น้ำแข็งละลายดูเหมือนเป็นเรื่องเล้กน้อย แต่จริงๆแล้วปริมาณน้ำแข็งที่ลดลงทำให้ท้องทะเลเปลี่ยนจากสีขาวเป็นสีน้ำเงินเข้มของน้ำ และมีการสะท้อนแสงอาทิตย์กลับสู่ชั้นบรรยากาศลดลง ผลที่ตามมาคือทำให้ท้องทะเลดูดซึมความร้อนจากแสงอาทิตย์ไว้มากขึ้น และระบายความร้อนขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศ โดยเฉพาะในช่วงฤดูใบไม้ร่วง ทำให้ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิในเขตขั้วโลกเหนือกับเขตอบอุ่นน้อยลง เป็นผลให้ลมขั้วโลก AO (Arctic oscillation) มีความแรงลดลงหรือเป็นลบ ส่งผลให้กระแสลมในช่วงฤดูหนาวพัดเข้าสู่สหรัฐฯฝั่งตะวันออกและยุโรปมากขึ้นเหมือนช่วงเดือนกุมภาพันธ์ปี 2555 ที่ผ่านมา

จากภาพจะเห็นทิศทางของลม AO เมื่ออ่อนตัวลง(ลูกศรสีเหลือง) ในขณะที่ความกดอากาศบริเวณขั้วโลกสูงขึ้น และกระแส Jet stream ซึ่งพาความร้อนและความชื้นจากมหาสมุทรแปซิฟิคสู่ทวีปอเมริกาเหนือ(ลูกศรสีดำ) เลื่อนต่ำลงมา

ศจ.Greene กล่าวว่า ผลจากการเปลี่ยนแปลงภูมิประเทศของขั้วโลกเหนือส่งผลให้เกิดการแปรปรวนของลม AO อย่างรุนแรง โดยเฉพาะรายงานอากาศเย็นจัดทางฝั่งตะวันออกของสหรัฐและยุโรปในช่วงสองปีที่ผ่านมา ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์กันอย่างมากของระบบภูมิอากาศของโลก ในขณะที่ปรากฏการณ์เอล ณิญโญ่และลาณิญญ่า ก็มีส่วนต่อบางภูมิประเทศเช่นกัน โดยในปีนี้ ศจ. Greene เชื่อว่า ความรุนแรงของปรากฏการณ์ ลาณิญญ่าในมหาสมุทรแปซิฟิกจะส่งผลให้เกิดอากาศอบอุ่นในบางส่วนของสหรัฐฯฝั่งตะวันออกด้วยเช่นเดียวกัน

คำอธิบายจาก NASA เรื่องความแปรปรวนของอากาศ

เรียบเรียงจาก http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2012/16feb_deepfreeze/

จากการวิปริตของอากาศในยุโรปและอเมริกาเหนือจนเป็นที่ถกเถียงกันว่า สาเหตุเกิดจากกระแสน้ำอุ่นหยุดทำงานแล้วหรือย่างไร หรือเกิดจากสาเหตุอื่น NASA ได้มีคำอธิบายเรื่องนี้ออกมาแล้วครับ

ก่อนอื่นเราลองมาดูสภาพอากาศที่ผิดปกติในยุโรปกันก่อน

Europe Hammered (splash)

แผนที่นี้แสดงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในยุโรประหว่างวันที่ 25 ม.ค. – 1 ก.พ. ตั้งแต่ปี 2544 – 2554 จากการวัดโดยดาวเทียม TERRA ของ NASA

โดยปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นถูกอธิบายจากโมเดล Arctic Oscillation (AO)ซึ่งเป็นกระแสลมหมุนที่บริเวณขั้วโลกเหนือ โดยลมหมุนนี้เกิดจากความแตกต่างของกระแสอากาศสองชุด ชุดแรกคือ อากาศเย็นที่ขั้วโลก และชุดที่สองคือกระแสลมร้อนจากแปซิฟิกซึ่งแปรผันตามปรากฏการณ์ลาณิญญ่า หรือเอลณิญโญ่

ในบางช่วง AO จะอยู่ในเฟสบวก คือมีความแรงของ polar jet steam มากจะทำให้อากาศเย็นถูกกักเก็บไว้บริเวณขั้วโลก แต่หากอยู่ในเฟสลบ ความแรงของ polar jet steam จะอ่อนตัวลงทำให้มีหิมะตกหนักทางฝั่งตะวันออกของสหรัฐ

Arctic Oscillation

positive phase                                                negative phase

โดย NASA ได้สรุปสิ่งที่เกิดขึ้นในปีนี้เป็นสองช่วงคือ ช่วงแรก เมื่อปลายปี 2554 เราอยู่ในระยะ positive phase ของ AO มีกระแสลมขั้วโลกมีกำลังสูง จะเห็นได้จากมีหิมะตกที่อะลาสกามากขึ้นและทำให้กระแสลมร้อนจากมหาสมุทรแปซิฟิกทวีกำลังมากขึ้น พัดเข้ามาทางด้านตะวันตกของทวีปอเมริกาเหนือประกอบกับปริมาณน้ำแข็งขั้วโลกที่ละลายเพิ่มทำให้ลมหมุนที่ขั้วโลกมีปริมาณหิมะสะสมมากเป็นพิเศษ

แต่เมื่อช่วงเดือนมกราคมที่ผ่านมากระแสลมหมุนเกิดการอ่อนตัวลง ทำให้เกิดการกระจายของลมหนาวและหิมะที่สะสมอยู่ไปทางทวีปยุโรป และไกลไปจนถึงเอเชียกลาง

เป็นผลทำให้ยุโรปหนาวเย็นและมีหิมะตกหนัก ซึ่งปรากฏการณ์นี้ไม่ได้เกิดขึ้นครั้งแรก ในปีค.ศ.1683 และ 1684 แม่น้ำเทมส์ในลอนดอนเคยเป็นน้ำแข็งมาแล้ว หรือในปีค.ศ. 1812 กองทัพนโปเลียนเจอสภาพอากาศเช่นเดียวกันขณะนกทัพเข้าสู่รัสเซัยตะวันตกจนไม่สามารถทำการรบต่อไปได้ และเกิดกับกองทัพนาซีในปี 1941 ระหว่างการรบในสงครามโลกครั้งที่สองเช่นเดียวกัน ซึ่งนักอุตุฯต่างหวังว่าเหตุการณ์นี้จะสิ้นสุดลงภายในไม่กี่สัปดาห์เมื่อโลกเราเข้าสู่วันวสันตวิษุวัต (vernal equinox) ในวันที่ 20 มี.ค.ที่จะถึงนี้

ลองมาชม video presentation ของ NASA เรื่องนี้กันครับ

Effects of Thermohaline collapsed

มีงานวิจัยหลายชิ้นเกี่ยวกับเรื่อง Thermohgaline (THC) Collapsed ว่ามีโอกาสเกิดขึ้นได้ไหม และเมื่อเกิดแล้วจะเหมือนกับในภาพยนต์ The Day After Tomorrow ไหม โดยเฉพาะในขณะที่นำเสนอบทความนี้ เกิดภาวะหนาวเย็นและพายุหิมะปกคลุมทั่วทั้งทวีปยุโรป และมีผู้เสียชีวิตหลายร้อยคน จึงน่าจะเป็นโอกาสดีที่จะทำความเข้าใจเรื่องนี้มากขึ้นครับ

ขอยกงานวิจัยของกรมอุตุฯของอังกฤษที่ตีพิมพ์เมื่อปี 2001 มาเป็นหัวเรื่องใหญ่นะครับ และเอกสารอื่นๆมาเสริม

อย่างแรกมาดูก่อนว่า THC collapsed หรือการหยุดการไหลเวียนของกระแสน้ำทั่วโลกจะเกิดผลอะไรบ้าง โดยจากโมเดล HadCM3 ที่ทำการศึกษา โดยตั้งให้ THC กลับมาทำงานเหมือนเดิมหลังจากหยุดไป 100 ปี ควบคุมการเจือของน้ำจากขั้วโลกเหนือที่ 10^6 ลบ.ม.ต่อวินาที เราพบการเปลี่ยนแปลงดังนี้

การตอบสนองของภูมิอากาศทั่วโลก

จากโมเดลที่ทำการศึกษา เราจะเริ่มพบการเปลี่ยนแปลงของชั้นบรรยากาศทั่วโลกภายใน 20-30 ปีหลังจากการหยุดของ THC โดยจะพบการเปลี่ยนแปลงชัดเจนและรุนแรงในแถบแอตแลนติกเหนือในช่วงแรก

จากภาพจะเห็นบริเวณที่อุณหภูมิลดต่ำลงมากที่สุดคือแถบแอตแลนติกฝั่งตะวันตกเฉียงเหนือหรือกรีนแลนด์ และอุณหภูมิในแถบแอตแนติกตอนล่างจะขึ้นมาประมาณ 1 -3 องศา ในแถบประเทศไทยอุณหภูมิจะลดต่ำลงประมาณ 1 องศา

ทิศทางของกระแสลม

จากโมเดลที่ทำการศึกษาเราพบการเปลี่ยนแปลงของกระแสลมที่ 1000 HPa ดังนี้

ทิศทางของกระแสลมในช่วงเดือน ธ.ค.-ก.พ.

ทิศทางกระแสลมที่เปลี่ยนแปลงในช่วงเดือน มิ.ย. – ส.ค.

การเกิดฝนและการระเหยของน้ำ

จากโมเดลที่ทำการศึกษาเราจะพบฝนตกในซีกโลกเหนือลดลงเนื่องจากอากาศที่เย็นลงทำให้การระเหยของน้ำลดลง ซึ่งจะพบปริมาณน้ำฝนลดลง 0-0.2 ม./ปี แต่ในพท.ที่มีระดับสูงจะมีหิมะตกเพิ่มขึ้น 20-30 ซม./ปี และจะมีฤดูหนาวยาวนานขึ้น 1-2 เดือนในช่วง 10 ปีแรกหลัง THC หยุด นอกจากนี้ยังพบว่าปริมาณน้ำฝนในอเมริกากลางและเวเนซูเอลาลดลง 1-1.5 มม./วัน

แสดงปริมาณฝนที่เปลี่ยนแปลง สีแดง=ลดลง สีน้ำเงิน=เพิ่มขึ้น

แสดงการระเหยของน้ำที่เปลี่ยนแปลง สีน้ำเงิน=ระเหยลดลง สีแดง=ระเหยเพิ่มขึ้น

แสดงความชุ่มชื้นของดินที่เปลี่ยนแปลงไป สีแดง=ความชุ่มชื้นลดลง สีน้ำเงิน=ความชุ่มชื้นมากขึ้น

ผลของการศึกษาโดยโมเดลนี้ เราจะพบการเปลี่ยนแปลงหลักในมหาสมุทรแอตแลนติก ซึ่งตอนเหนือจะมีปริมาณฝนลดลงและมีอุณหภูมลดลงไปด้วย ในขณะที่บางส่วนของโลกอาจมีฝนหนักขึ้น อย่างไรก็ตามแบบจำลองนี้คงไม่สามารถคาดการณ์ได้อย่างชัดเจนเพราะปัจจัยในการเกิดและสภาพภูมิอากาศของโลกเรามีการเปลี่ยนแปลงทุกปี แต่อย่างน้อยช่วยให้เรามองภาพรวมของผลกระทบหากระบบ THC หยุดทำงานได้

ลองมาดูแบบจำลองของกรมอุตุฯอังกฤษกัน

แสดงภาพอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงหลัง THC หยุด สีน้ำเงิน=อุณหภูมิลดลง สีแดง=อุณหภูมิเพิ่มขึ้น

สถานการณ์ขณะนี้เป็นอย่างไร?

จากข้อมูล http://www.newscientist.com/article/dn8398

Harry Bryden นักวิจัยจากศูนย์สมุทรศาสตร์อังกฤษ (the National Oceanography Centre in Southampton, UK)ได้เปิดเผยพบการเปลี่ยนแปลงของ sinking zone ของ gulf stream ทางฝั่งยุโรป ซึ่งอาจเป็นสัญญาณเตือนของการหยุดของ THC ได้ ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดอุณหภูมิในยุโรปตะวันตกลดลง 5-10 องศา และสาเหตุของปรากฏการณ์นี้ยังไม่เป็นที่แน่ชัด แต่นักวิทยาศาสตร์ท่านอื่นต่างโต้แย้งว่า ผลการศึกษาของ Bryden อาจเป็นการศึกษาเพียงระยะสั้นๆซึ่งไม่สามารถบอกการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดได้ หากจะทำให้กระแสน้ำอุ่น Gulf Stream หยุดต้องใช้ปริมาณของน้ำเย็นที่มากกว่านี้หลายเท่า และไม่สามารถเกิดขึ้นในเวลาสั้นๆได้ ( http://www.nature.com/nature/journal/v439/n7074/full/439256a.html )

ติดตามความเคลื่อนไหวของ Gulf Stream

http://rads.tudelft.nl/gulfstream/ เป็นการวัดความเร็วสมบูรณ์ของ Gulf stream โดยดาวเทียม Envisat, Jason-1, Jason-2

http://www.argo.ucsd.edu/index.html เวปไซด์ของ ARGO ติดตามทุ่นที่วัดระดับอุณหภูมิน้ำระดับบนและความเค็มของน้ำทะเล จากทุ่นลอยกว่า 3,000 ทุ่น (ดาวน์โหลดโปรแกรมในเวปไซด์)

http://oceancurrents.rsmas.miami.edu/atlantic/gulf-stream_2.html ติดตามกระแสน้ำอุ่น Gulf Stream จากหลายเครื่องมือ

What is the Thermohaline Circulation

Thermohaline เป็นชื่อของระบบการไหลเวียนของกระแสน้ำในมหาสมุทร โดยชื่อจะบอกเราถึงกลไกการไหลเวียนว่ามาจาก Thermo=ความร้อน และ Haline=ความเค็มของน้ำ โดยสองส่วนนี้จะเป็นตัวควบคุมการไหลเวียนของน้ำในมหาสมุทรทั่วโลก

ภาพประกอบจาก http://www.cru.uea.ac.uk/cru/info/thc/

กลไกการไหลเวียนมีลำดับดังนี้

1. กระแสน้ำอุ่นกัลฟ์สตรีมและสาขา นำน้ำอุ่นและน้ำเค็มจากมหาสมุทรแอตแลนติคตอนกลางขึ้นไปทางมหาสมุทรแอตแลนติกทางตะวันออกเฉียงเหนือ ให้ความอบอุ่นกับยุโรปฝั่งตะวันตก

2.เมื่อกระแสน้ำเจอความเย็นของน้ำที่ไหลมาจากขั้วโลกเหนือ จะหนาแน่นขึ้นและจมลงบริเวณเกาะกรีนแลนด์ทางใต้และฝั่งตะวันออก

3.ถ้าเราขยายออกมาเราจะเห็นกระแสน้ำนี้เป็นส่วนหนึ่งของระบบใหญ่ที่เชื่อมระหว่างมหาสมุทรแอตแลนติกตอนเหนือ

4.ขึ้นมาจากมหาสมุทรแอตแลนติกเขตร้อน

5.ขึ้นมาจากมหาสมุทรแอตแลนติกตอนใต้

6.และเชื่อมโยงกับกระแสน้ำอุ่นจากมหาสมุทรอินเดียและมหาสมุทรแปซิฟิก

7.มหาสมุทรแอนตาร์กติก ต่อเนื่องไปถึงการจมตัวลงของน้ำใกล้ทวีปแอนตาร์กติก

8.เมื่อเรามองลงไปในระดับลึก น้ำที่เกิดจากการจมตัวของน้ำที่หนาแน่นกว่าจะแผ่ขยายไปในมหาสมุทรระดับลึกกว่า

9.ซึ่งจะมีผลต่อระดับความลึกของมหาสมุทรตั้งแต่ 1,000 ม.ลงไป

10.น้ำที่มีอุณหภูมิต่ำจะได้รับความร้อนจากชั้นความร้อนที่เปลือกโลกข้างใต้จนอุ่นขึ้น และค่อยๆลอยกลับมาที่พื้นผิวมหาสมุทร ทั่วทั้งพื้นโลก

11.กระแสน้ำที่ระดับบน ระดับล่าง บริเวณที่มีการจมตัวและคืนกลับของน้ำอุ่นขึ้นสู่ผิวน้ำด้านบนจะเกิดวงจรของกระแสน้ำหลักของโลกที่เรียกว่า Thermohaline Circulation หรือ Global Conveyor Belt

(เพิ่มเติม 23 ก.พ. 2555)

ภาพ Agulhas Eddie เป็นกระแสน้ำวนที่พบที่ปลายทวีปแอฟริกานอกชายฝั่งประเทศแอฟริกาใต้ ทำหน้าที่นำกระแสน้ำอุ่นและความเค็มจากมหาสมุทรอินเดียลงไปยังมหาสมุทรแอตแลนติคตอนใต้ (ภาพจากดาวเทียม Terra ของ NASA โดย dailymail.co.uk)