Wewnątrz gigantycznych „niebiańskich rzek” nabrzmiewających wraz ze zmianami klimatycznymi

Zdjęcie: Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych, Piloci Weather Reconnaissance Squadron latają samolotem WC-130J Super Hercules podczas misji na rzekach atmosferycznych w 2023 r. 

W styczniu 2024 roku Anna Wilson siedziała na pokładzie odrzutowca Gulfstream IV i obserwowała zwodniczo spokojne morze białych chmur nad północnym Pacyfikiem. Przez słuchawki Wilson – naukowiec zajmujący się atmosferą i ekspert od ekstremalnych warunków pogodowych – słyszała, jak jej koleżanka odliczała. Na końcu samolotu, inny kolega zrzucił przez zsyp smukłe, cylindryczne instrumenty w burzę, która się rozwijała poniżej, aby zmierzyć jej siłę, gdy zbliżała się do zachodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych. Rodzaj burzy, którą śledzili, to rzeka atmosferyczna – zjawisko pogodowe, które w ostatnich latach przyciąga coraz więcej uwagi, ponieważ naukowcy i społeczeństwo starają się zrozumieć jego czasami niszczycielski wpływ. Badania sugerują, że rzeki atmosferyczne stają się coraz większe, częstsze i bardziej ekstremalne ze względu na zmiany klimatyczne; a szkody, jakie powodują, stają się coraz większe. Często określane jako rzeki na niebie, rzeki atmosferyczne to ogromne, niewidoczne wstęgi pary wodnej. Każdy z nich może mieć kilkaset kilometrów szerokości i transportować 27 razy więcej wody niż rzeka Missisipi. Te rzeki powstają w ciepłych oceanach, gdy woda morska paruje, podnosi się i przemieszcza na chłodniejsze szerokości geograficzne. Kiedy para dociera do wybrzeża, na przykład Kalifornii, unosi się w górę, ochładza się i opada w postaci deszczu lub śniegu – w ilości wystarczającej, aby spłukać zbocza wzgórz, powodując osunięcia ziemi i sprowadza ulewne deszcze, powodzie i śmiercionośne lawiny. 

Zdjęcie: Getty Images, Seria atmosferycznych burz rzecznych stopiła rekordowe ilości śniegu w górach Sierra Nevada w marcu 2023 r., powodując rozległe powodzie 

Na zachodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych rzeki atmosferyczne przynoszą najcięższe deszcze, najcieplejsze burze, poważne powodzie, ekstremalne wiatry przybrzeżne i osunięcia ziemi. Mogą przybywać w grupach – zwanych „rodzinami” – a kilka z nich uderza w określone miejsce w ciągu kilku dni. Groźną rodzinę burz, nad którymi przeleciała Wilson i jej koleżanka, w rzeczywistości utworzyły cztery atmosferyczne rzeki, które później spowodowały obfite opady śniegu w Kalifornii i powodzie w Oregonie w styczniu 2024 r. Podstawowe pytania pozostają takie same dla każdej rzeki atmosferycznej, mówi Wilson, kierownik badań terenowych w Instytucie Oceanografii Scripps na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. „Gdzie dotrze na ląd? Jak silny będzie? Jak długo to potrwa? Wciąż stajemy się lepsi w udzielaniu odpowiedzi na to pytanie” – mówi. Lot, którym Wilson odbył się w styczniu, był częścią Atmospheric River Reconnaissance, czyli AR Recon, wspólnego projektu z Siłami Powietrznymi USA, Narodową Administracją Oceaniczną i Atmosferyczną (Noaa) i innymi partnerami. Wykorzystując samoloty „łowców huraganów”, zwykle używane do obserwacji huraganów – odrzutowiec NOAA Gulfstream, a także dwa lub więcej samolotów Sił Powietrznych – zespoły naukowców przelatują nad rzekami atmosferycznymi i zrzucają do nich obiekty zwane sondami opadającymi. „Rzeki atmosferyczne są interesujące i fajne, ale tak naprawdę nie można ich zobaczyć, ponieważ to para wodna” – mówi Wilson. „I są naprawdę blisko powierzchni, zwykle skupiają się na kilku najniższych kilometrach atmosfery”. Wilson zwraca uwagę, że zwykle podróżują pod osłoną chmur, co ukrywa je przed konwencjonalnymi narzędziami obserwacji pogody, takimi jak satelity. „Satelity naprawdę mają trudności z przejrzeniem tego, co dzieje się blisko powierzchni. Dlatego celem przelotu przez nie, powoduje umożliwienie upuszczenia naszych czujników i uzyskanie podstawowych pomiarów meteorologicznych – temperatury, ciśnienie powietrza, wiatr i wilgoć” – mówi. 

Zwykle podkreślamy niebezpieczną stronę, ale musimy pamiętać, że zapewniają one ważne zaopatrzenie w wodę w suchych regionach, takich jak Kalifornia – Bin Guan 

Rzeki atmosferyczne, które Wilson i jej zespół monitorowali w styczniu, należały do ​​serii 51 rzek atmosferycznych, które napłynęły do ​​Waszyngtonu, Oregonu i Kalifornii w okresie od jesieni 2023 r. do wiosny 2024 r., czyli o 13 więcej niż w poprzednim sezonie. Wiedza o tym, kiedy i gdzie nadejdzie taka burza oraz jej siła, pomaga ludziom na lądzie przygotować się na nadchodzące wydarzenia i na przykład opróżnić na czas odpowiednie zbiorniki. Jednak loty Wilson i jej współpracowników, które rozpoczęły się w 2016 r., są również częścią szerszych wysiłków naukowych mających na celu lepsze zrozumienie rzek atmosferycznych – w tym ich zaskakujących korzyści. 

Zdjęcie: Anna Wilson, Anna Wilson na pokładzie samolotu Noaa 

„Potrzebujemy rzek atmosferycznych – bez nich na Zachodzie mamy susze” – mówi Wilson. Aż dwie trzecie susz na zachodnim wybrzeżu kończy się napływem rzek atmosferycznych – zjawisko to nazywane jest pogromcą suszy. „Istnieją korzystne strony rzek atmosferycznych” – zgadza się Bin Guan, naukowiec zajmujący się atmosferą na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles i Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA. „Mamy tendencję do podkreślania niebezpiecznej strony, ale musimy pamiętać, że zapewniają one ważne zaopatrzenie w wodę w suchych regionach, takich jak Kalifornia”. Ogólnie rzecz biorąc, odpowiadają za 50% opadów deszczu I śniegu w Kalifornii. 

Do końca tego stulecia globalna częstotliwość rzek atmosferycznych może się prawie podwoić 

Na zachodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych i Kanady rzeki atmosferyczne są znane jako „ekspres ananasowy” ze względu na ich przypuszczalne pochodzenie w pobliżu Hawajów. Jednak Guan twierdzi, że ta nazwa jest rzadko używana wśród ekspertów, ponieważ rzeki atmosferyczne są zjawiskiem globalnym, a wiele z tych, które trafiają na zachodnie wybrzeże, ma swoje źródła znacznie dalej niż Hawaje. W październiku 2017 r. niezwykle długa rzeka atmosferyczna ciągnęła się przez około 8000 kilometrów z Japonii do Waszyngtonu. W 2019 r. badacze stworzyli skalę, w której uszeregowali rzeki atmosferyczne od jeden (słabe, powodujące umiarkowane opady) do pięciu (wyjątkowe, przede wszystkim niebezpieczne), aby uzyskać bardziej szczegółowy ich obraz. 

Zdjęcie: Rich Henning/ Noaa, rzeki atmosferyczne są niewidoczne i zwykle płyną pod zachmurzeniem, jak ta zaobserwowana z samolotu Noaa w 2023 r. 

 „Łagodne są uważane za korzystne dla zaopatrzenia w wodę, tylko te bardzo ekstremalne są niebezpieczne” – mówi Qian Cao, hydrolog w Instytucie Oceanografii Scripps. „Ma to więc zarówno dobre, jak i złe strony, nie prowadzi tutaj tylko do złych wydarzeń”. Cao twierdzi, że przewidywanie rzek atmosferycznych jest kluczem do ograniczenia ich niszczycielskiej strony, ale jest trudne. Po pierwsze, rozwijają się nad oceanem, gdzie jest mniej możliwości ich obserwacji niż na lądzie. Następnie pokonują tysiące kilometrów i podczas tej podróży mogą zatrzymać się, nasilić, osłabić, nagrzać się lub ochłodzić oraz wchodzić w interakcję z innymi rzekami atmosferycznymi lub ich pozostałościami. Każda z tych zmian będzie miała wpływ na ich skutki – mówi. Strategie takie jak eksploatacja zbiorników oparta na prognozach, które wykorzystują prognozy pogody i wody, aby pomóc podmiotom odpowiedzialnym za gospodarkę wodną w podjęciu decyzji o opróżnieniu zbiorników w oczekiwaniu na ogromne opady, mogą pomóc sobie z nimi poradzić – mówi. „Jeśli potrafimy lepiej prognozować lub przewidywać te rzeki atmosferyczne, jeśli potrafimy je przewidzieć dokładniej, przy dłuższych terminach realizacji, to będziemy mieli więcej czasu na podjęcie decyzji operacyjnych, np. czy chcemy spuszczać wodę, czy oszczędzać wodę w zbiornikach – mówi Cao. Prognozy są najdokładniejsze w krótkim okresie, dla czasu realizacji od trzech do pięciu dni, mówi, a ich dokładność zmniejsza się wraz z dłuższym czasem realizacji. „Naukowcy bardzo ciężko pracują, aby poprawić prognozy na dwa tygodnie przed” – dodaje, ponieważ przygotowanie się na miesiąc lub dłużej dałoby ludziom w terenie więcej opcji. To tutaj przylatują statki AR Recon, zaglądające do podniebnych rzek, gdzie inne instrumenty nie mogą do nich dotrzeć. 

Zdjęcie: Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych, Tech. sierż. Larry Banks sprawdza sondę kroplową podczas misji na rzekach atmosferycznych w 2023 r. 

Dla zespołu Wilsona każdy lot rozpoczyna się porannym spotkaniem prognostycznym, podczas którego omawiane są istniejące prognozy opadów deszczu i śniegu w USA na nadchodzące dni. Identyfikują obszary niepewności, które można poprawić dzięki większej liczbie danych na temat rzeki atmosferycznej, która przynosi oczekiwane opady deszczu lub śniegu. Następnie lecą do atmosferycznej rzeki i zbierają wymagane dane za pomocą dropsond. „Celem tych ukierunkowanych lotów zwiadowczych jest wypełnienie luk, gdy wiemy, że satelity mają trudności z dostrzeżeniem”– mówi Wilson. Każdy lot Gulfstreamem trwa około ośmiu godzin – i jak mówi Wilson, istotnym elementem praktycznych przygotowań jest zabranie ze sobą własnego jedzenia. Przyrządy przesyłają dane do zespołu na pokładzie samolotu, który je sprawdza i przesyła do Globalnego Systemu Telekomunikacyjnego, usługi Światowej Organizacji Meteorologicznej, która gromadzi i rozpowszechnia globalne dane związane z pogodą. Następnie są one wychwytywane przez modele prognostyczne, które wykorzystują dane wraz z setkami milionów innych obserwacji, w tym z satelitów. Teraz dokładniejsze prognozy, wzmocnione danymi z sondy opadającej, są udostępniane operatorom zbiorników i służbom ratowniczym. Badania sugerują, że dane z sondy zrzutowej rzeczywiście pomagają ulepszyć prognozy, a niedawna analiza zaleca, aby przyszłe misje obejmowały codzienne loty zarówno odrzutowcem Gulfstream, jak i samolotem Sił Powietrznych, aby zebrać jak najwięcej danych. Zespół wykorzystuje także inne technologie do gromadzenia informacji, a także pracuje nad systemami modelowania, aby jeszcze bardziej udoskonalać prognozy i pogłębiać wiedzę na temat poszczególnych burz.  Mengqian Lu jest profesorem nadzwyczajnym w dziedzinie hydrometeorologii i zasobów wodnych na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Hongkongu. Ona i jej zespół opublikowały w styczniu 2024 r. globalne badanie, w którym prognozowano ich przyszłą intensywność, częstotliwość oraz powiązane opady deszczu i śniegu na całym świecie.

Według ich prognoz do końca tego stulecia globalna częstotliwość występowania rzek atmosferycznych może się prawie podwoić. Badanie sugeruje jednak, że znaczenie tego w praktyce różni się w zależności od regionu. „Ogólnie rzecz biorąc, im częstsza i silniejsza rzeka atmosferyczna, tym częstsze i silniejsze przynosi opady – ale tłumaczenie nie jest jednoznaczne, ponieważ system klimatyczny jest nieliniowy, a raczej chaotyczny” – mówi Lu. Prawdopodobne wydaje się to, że w miarę ocieplania się atmosfery w wyniku zmian klimatycznych będzie ona w stanie utrzymać rosnący poziom wilgoci. „W rezultacie spodziewamy się częstszych i silniejszych rzek atmosferycznych” – mówi. Ze względu na ich rolę w transporcie ciepła i wilgoci wiedza o tym, jak rzeki atmosferyczne będą się zmieniać w miarę dalszego ocieplania się klimatu, jest to niezbędne do zrozumienia szerszego wpływu globalnego ocieplenia, mówi Lu. Na przykład rzeki atmosferyczne przynoszące ciepło spowodowały topnienie szelfów lodowych na Antarktydzie Zachodniej. Coraz liczniejsze badania podkreślają ich wpływ na całym świecie. W Azji Wschodniej odpowiadają za 90% ekstremalnych opadów w ciepłych porach roku oraz są przyczyną powodzi i osunięć ziemi. Mogą dotyczyć wielu lokalizacji, przy czym w kilku miejscach w tym samym czasie lub w krótkich odstępach czasu wystąpią katastrofalne warunki pogodowe, ponieważ rzeki atmosferyczne mogą sprowadzić śnieg i zamiecie do jednego regionu, a deszcz i poważne powodzie do innego. Mogą również tworzyć błędne koło z innymi klęskami żywiołowymi, takimi jak pożary, powodujące lawiny błotne na obszarach dotkniętych pożarami, gdzie brak roślinności sprawia, że ​​gleba jest mniej chłonna i podatna na erozje. Badania sugerują, że mogą także powodować szybki wzrost roślin, który zamienia się w paliwo do następnego pożaru, co prowadzi do zwiększenia liczby spalonych obszarów w następnym sezonie.  

Zdjęcie: Getty Images, atmosferyczna burza rzeczna przenosi się do doliny Santa Ynez w Kalifornii w styczniu 2024 r. 

Badania sugerują, że rzeki atmosferyczne występujące jedna po drugiej, przynoszące pozornie niekończące się opady deszczu, również stają się coraz powszechniejsze. Od końca grudnia 2022 r. do połowy stycznia 2023 r. dziewięć rzek atmosferycznych z rzędu nawiedziło Kalifornię, powodując powodzie, osunięcia ziemi i przerwy w dostawie prądu. Jak wskazują autorzy jednego z badań, takie skupiska mogą oznaczać, że zalana gleba nie może wyschnąć pomiędzy burzami, co zwiększa prawdopodobieństwo powodzi. „W zachodnich Stanach Zjednoczonych rzeki atmosferyczne odpowiadają za prawie 90% szkód powodziowych, o łącznej wartości ponad 1 miliarda dolarów (80 milionów funtów) rocznie. Liczba ta może się podwoić, a nawet potroić do końca tego stulecia, w oparciu o prognozy zmian zawarte w modelu klimatycznym w rzekach atmosferycznych” – mówi Guan. Nie zawsze przenoszą też samą parę wodną. W 2021 roku przepędził pył saharyjski z Afryki do Europy, przyciemniając śnieg w Alpach, zmniejszając jego odblaskowość, wprowadzając ciepło i zmniejszając głębokość śniegu o 50%. Cao twierdzi, że musimy rozpoznać, jak zmiany klimatyczne na nie wpływają, i przyjąć bardziej zrównoważone środki rozwoju, aby walczyć z globalnym ociepleniem. Systemy wczesnego ostrzegania, świadomość społeczna oraz dokładniejsze i wyrafinowane prognozy również mają kluczowe znaczenie, jeśli chodzi o przygotowanie się, mówi, a także zrozumienie, które wzorce pogodowe i warunki klimatyczne pomagają w tworzeniu rzek atmosferycznych. Tymczasem jakąś dobrą nowiną może być informacja, że ​​każdego roku przez te tajemnicze burze spadają setki kropli, zbierając dane, które czynią je bardziej przewidywalnymi. Wilson mówi, że misja daje jej nadzieję, zwłaszcza praca ze służbami ratowniczymi na lądzie, takimi jak centrum operacji kryzysowych w Kalifornii: „To naprawdę niesamowite uczucie, jako naukowiec, pracować nad czymś, co można natychmiast zastosować. To robi wrażenie teraz dla ludzi na miejscu”– mówi.