Главная ?> Повестка дня ?> Геоклимат ?> Исследования проблемы ?> Роль океана в колебаниях климата
Алексей Соков

Роль океана в колебаниях климата

В погоде, как и в футболе, разбираются все, или почти все, особенно в Москве. Замечательно первое впечатление Фазиля Искандера о москвичах — какой бы интересный разговор ни шел, он обязательно прерывается на полуслове возгласами "тихо, погоду передают!" И все конечно "помнят", что раньше зимы были холоднее, а лето жарче. Таким образом, сам факт климатической изменчивости ни у кого не вызывает сомнений. Сомнения начинаются тогда, когда делается попытка выяснить, что же является причиной изменений климата. Многие считают, что во всем виновата деятельность человека. Однако существуют естественные колебания климата, никак с "венцом природы" не связанные. Летописи свидетельствуют, что несколько веков назад, когда никаких промышленных выбросов в атмосферу не было и в помине, наблюдались периоды интенсивных потеплений и похолоданий. Достаточно вспомнить хотя бы незавидную судьбу поселений викингов в Северной Америке и Гренландии!

Здесь, правда, есть один нюанс, который собственно и является одним из основных результатов нашей работы.

"Что в воде восхищало Блума, водолюба, водочерпия, водоноса, когда он возвращался к плите?
Ее универсальность; ее демократическое равенство и верность своей природе в стремлении к собственному уровню; обширность ее океанов на карте в проекции Меркатора; ...ее значение для климата; ...ее преобладание над сушей на земном шаре в отношении 3 к 1..."
Дж. Джойс "Улисс"

Поэтому, забегая вперед, необходимо его отметить. Это касается изменчивости глубинных слоев Мирового океана. Средняя температура океана составляет 3,8°С. 76% объема вод Мирового океана составляют глубинные и донные воды, температура которых ниже среднеокеанической. Так вот, когда говорят о наличии изменений климата на Земле, обычно имеют в виду изменения температуры воздуха и верхнего слоя воды в океане. Еще 10-15 лет назад в океанологии господствовали очень упрощенные представления об общей структуре Мирового океана. Считалось, что в первом приближении океан состоит из двух слоев: относительно тонкого теплого верхнего и мощного и холодного глубинного. В первом сосредоточены все динамически активные процессы: сильные течения, волнение, а также все процессы, связанные со взаимодействием океана и атмосферы, т. е. с изменчивостью вод. В силу того, что теплый слой является и легким он изолирует плотные и холодные океанские глубины от воздействия внешних процессов. В глубинном слое господствует покой, происходит медленное распространение вдоль дна холодных вод от источников их образования в высоких широтах к экватору. И самое главное на глубине отсутствует изменчивость температуры и солености.

Многие метеорологи считали до недавнего времени, что в климатической системе Земли океан не может переносить сколько-нибудь значительного количества тепловой энергии от экватора к полюсам. Однако первые же результаты расчетов теплового баланса, полученные спутниковыми методами, опровергли это представление. Оказалось, что тепло в океане переносится с не меньшей интенсивностью, чем в атмосфере, а значит, нельзя игнорировать роль водной оболочки Земли при формировании климата.

При таком подходе возникает вопрос: какой механизм на Земле управляет перераспределением тепла, а значит и изменчивостью климата?

Климат, атмосфера, океан

Что же является причиной наблюдаемых климатических изменений? Каким образом перераспределяется поступающая на Землю солнечная энергия?

Плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, а удельная теплоемкость — в 4 раза. Легко посчитать, что теплозапас всего лишь трехметрового слоя океана равен теплоемкости всей атмосферы. Однако скорость преобразования энергии в атмосфере во много раз превышает скорость энергопереходов в океане. В системе океан-атмосфера океан служит инерционной средой, медленно накапливающей изменения. Атмосфера же представляет собой нестационарную часть, глобальная долгопериодная устойчивость которой поддерживается океаном. Именно исходя из энергетических оценок возможных причин климатической изменчивости Земли, мы пришли к выводу об активной климатоформирующей роли вод Мирового океана, при этом именно его холодных вод. Наиболее вероятной причиной, обладающей достаточной энергией, является предложенная В.В.Шулейкиным работа тепловых машин. Природная тепловая машина первого рода работает на контрасте экватор (нагреватель) — полюса (холодильники). Машина второго рода отвечает за обмен воздушными массами между океаном и континентами — муссонная циркуляция, которая меняет в течении года направление в соответствии с тем, как меняют свою относительную роль нагревателей и холодильников континенты и океаны.

По нашему мнению движущим механизмом климатических изменений на Земле является тепловая машина нулевого рода. Она работает на глобальном контрасте тепла и соли между отдельными частями Мирового океана. Изменчивость процесса переноса между этими частями и влияет на климат.

Аномалии в океане

Температура воды Северной Атлантики и воздуха над ней, а также соленость поверхностных вод выше средних показателей для Мирового океана соответственно на 5°С, 9°С и 1‰. Северная же часть Тихого океана наоборот отличается отрицательной аномалией солености (-0,5‰).

Оба океана имеют в средних широтах северного полушария одинаковую протяженность по широте, но средняя температура всей толщи вод Атлантики теплее на 0,3°С. Контраст становится еще более ярким, если рассмотреть отдельно верхний теплый и глубинный холодный слои этих океанов: средняя температура поверхностных вод Северной Атлантики (16°С) на 6°С ниже температуры верхнего слоя северной части Тихого (22°С), в то же время температура глубинных слоев Северной Атлантики значительно выше, чем в северной части Тихого.

Таким образом в целом теплая и соленая Северная Атлантика на поверхности холоднее, а в глубинных слоях теплее в среднем холодной и пресной северной части Тихого океана. Эта аномалия связана с существенным преобладанием испарения над осадками, разница между которыми составляет в Северной Атлантике 24 тыс. км3 /год.

В целом на испарение вод океана и суши расходуется 9х1023 Дж в год, а ежегодная энергия Солнца, поступающая к водам, составляет 10х1023 Дж. Области морей и океанов, характеризующиеся высоким испарением, являются областями интенсивного энергообмена с атмосферой. Северная Атлантика является глобальной энергоактивной областью: занимая 11% поверхности Мирового океана, она отдает 19% всего тепла, поступающего на Землю.

Тепловой баланс Северной Атлантики — отрицательный. Если бы сюда не поступало тепло из других частей Мирового океана, то температура ее поверхностных вод постоянно бы понижалась. Однако тепло сюда поступает, и не только от экватора, но и из Южной Атлантики к экватору. И это еще одна аномалия океана: меридиональный перенос тепла (МПТ) направлен в Южной Атлантике не от экватора, а к экватору из Индийского и Тихого океанов!

Следующая замечательная аномалия — глобальный перекос уровня Мирового океана. Уровень северной части Тихого океана на 94 см выше уровня Северной Атлантики только за счет различия их температуры и солености.

Аномальность проявляется и в распределении биогенных элементов в Мировом океане: их содержание, начиная от наименьших концентраций в Северной Атлантике, планомерно увеличивается к антарктическим водам и далее от юга Тихого океана к его северной части. Характер увеличения концентрации биогенов в Мировом океане отражает и возраст вод: он увеличивается от нескольких лет в глубинных слоях Северной Атлантики до сотен лет в северо-восточной части Тихого океана.

 Межокеанский обмен свойствами — движущий механизм колебаний климата

Приведенные выше аномалии океана однозначно приводят к выводу о существовании межокеанского обмена свойствами. С Северной Атлантики, по нашему мнению, и начинается единый глобальный процесс межокеанской циркуляции вод, который связывает воедино положительные аномалии содержания тепла и соли в этом регионе и отрицательные в северной части Тихого океана.

В поверхностных слоях идет поток тепла и пресной воды из Тихого и Индийского океанов в Атлантический, а в глубинах — поток соленых вод из Атлантического океана в Индийский и Тихий. Первые работы, связанные с разработкой идеи межокеанского обмена свойствами или глобального океанского конвейера, исходили из принципа двуслойной циркуляции вод Мирового океана. В ходе наших последних исследований было установлено, что при изучении глобального межокеанского конвейера необходимо учитывать его взаимодействие с локальной многослойной циркуляцией Северной Атлантики. По нашему мнению именно это взаимодействие приводит к смене режимов глобальной циркуляции (ее изменчивости), а значит и к колебаниям климата Земли.

Долгопериодная изменчивость термохалинной структуры вод Северной Атлантики

В сентябре-октябре 1993 года в 40-м рейсе научно-исследовательского судна "Профессор Мультановский" был выполнен океанографический разрез по 36°с.ш. в Атлантике. Анализ результатов рейса выявил удивительные факты:

  • наблюдается климатически значимые охлаждение и распреснение глубинных слоев Северной Атлантики на протяжении последних 30 лет;
  • тенденция изменчивости промежуточных вод на разрезе за тот же период времени меняла знак: они теплели в 60-70-х годах и затем резко охлаждались и распреснялись в 80-90-е годы;
  • наблюдаемые климатические изменения в Северной Атлантике связаны с холодными водами. В начале 1990-х гг. обнаружена интенсификация распространения на юг вод моря Лабрадор и на север — Антарктических промежуточных и глубинных вод;
  • в отличие от общепринятых схем циркуляции вод Северной Атлантики, обнаружено, что наиболее молодые (охлажденные и распресненные) Лабрадорские воды распространяются на юг не вдоль материкового поднятия Северной Америки, а вдоль западного склона Срединно — Атлантического хребта.

Охлаждение и распреснение вод Северной Атлантики зафиксировано также в субпролярных областях в 1991 г. и на 48°с.ш.  в 1992 г. Наши результаты показывают, что охлаждение Атлантики к концу 1993 г. распространилось до субтропических широт.

Это уже второе за последние десятилетия значительное охлаждение и распреснение, зафиксированное в Северной Атлантике после Великой соленостной аномалии (ВСА) 1970-х годов. Однако если ВСА была приурочена к верхнему 1000-метровому слою, то охлаждение и распреснение начала 1990-х годов коснулось промежуточных и, что очень важно, глубинных слоев.

Различие этих двух охлаждений вод Северной Атлантики дает нам ключ к пониманию механизма взаимодействия локальной многослойной циркуляции холодных вод Северной Атлантики и межокеанского конвейера, т.е. механизма воздействия океана на климат.

Бимодальный характер океанского конвейера

В 1968 г. из-за выноса распресненных холодных вод Канадского архипелага к востоку от Гренландии в верхнем 200-метровом слое соленость уменьшилась на 0,1‰. Отметим здесь, чтобы компенсировать энергию распреснения вод на 0,1‰ (от обычных 34 до 33,9‰) в 200-метровом слое, требуется испарить слой воды в 57 см (это годовая норма испарения на этих широтах). Наличие слоя распресненной, а значит и более легкой воды, на поверхности в районах формирования глубинных вод привело к прекращению зимней вертикальной глубокой конвекции в море Лабрадор. Следствием консервации холода в верхнем слое была аномально высокая ледовитость Лабрадорских вод, превосходящая ледовитость в год гибели "Титаника" (1912 г.).

Образовавшаяся аномалия холодных и пресных вод циркулировала в верхнем слое субполярного круговорота на протяжении десятилетия и в 1982 г. "вернулась" к Гренландии. Поскольку ВСА препятствовала образованию новых глубинных вод, а для распресненных поверхностных и промежуточных вод северный субполярный фронт являлся непреодолимым препятствием, не происходило интенсивного меридионального обмена холодными водами между субполярным и субтропическим круговоротами Северной Атлантики. К северу от субполярного фронта накапливались холодные воды, к югу — теплые. Контраст температур на фронте обострялся, скорость межокеанского конвейера в Северной Атлантике замедлялась. Наблюдалась ослабленная мода глобальной циркуляции.

Возобновление глубокой конвекции в море Лабрадор в начале 1980-х гг. (которая продолжается и до сих пор) привело к восстановлению нормальной скорости глобального конвейера (нормальная мода), что и было зафиксировано в Северной Атлантике в начале 1990-х годов. Проведенные нами расчеты показывают, что в начале 1980-х годов, т.е. сразу после ВСА, на 36°с.ш. явно преобладала двуслойная циркуляция характерная для глобального конвейера: интенсивный поток на север теплых вод и не менее интенсивный поток на юг холодных. Непосредственно до и во время ВСА на 36°с.ш. наблюдалась трехслойная циркуляция вод, характеризующаяся слабым потоком на север теплых вод в верхнем cлое и холодных в придонном, а также достаточно интенсивным потоком промежуточных и глубинных вод на юг. Аналогичная ситуация наблюдалась и в 1993 г., возможно являясь предвестником нового цикла замедление глобального конвейера в Северной Атлантике.

Бимодальность глобального океанского конвейера хорошо согласуется с бимодальностью МПТ, т.е. с перераспределением тепла, что соответствует нашей теории о движущем механизме работы тепловой машины нулевого рода.

В начале 1950-х годов и в конце 1980-х (т.е. до и после ВСА) происходила интенсивная отдача тепла в атмосферу в средних широтах (40-50 с.ш.), сопровождавшаяся также усилением Гольфстрима. Эта ситуация соответствует первой моде МПТ и характеризуется низкими значениями трансэкваториального переноса тепла (0,5х1015 Вт) и увеличением температуры воздуха над Северной Атлантикой. Во время существования ВСА наблюдался второй режим МПТ, отличающийся большим потоком тепла через экватор (1х1015 Вт) и наличием значительного плато между 40 и 50°с.ш., где величина МПТ остается неизменной. Таким образом, второй моде МПТ соответствует замедление глобального конвейера в средних широтах, связанное с уменьшением объемов формирующихся промежуточных и глубинных вод, обострением полярного фронта и рециркуляцией холодных и пресных поверхностных вод к северу от фронта. Первая мода МПТ соответствует восстановлению скорости глобального конвейера. Интенсивное проникновение на север ААПВ, зафиксированное в 40 рейсе НИС "Профессор  Мультановский" вдоль западной периферии САХ, также может явиться результатом
интенсификации межполушарного обмена при восстановлении скорости глобального конвейера. Этот процесс сопровождается дополнительным выносом пресной воды в распресненной ААПВ из Южной Атлантики.

По нашим расчетам сразу же после ВСА в начале 1980-х гг. в момент восстановления нормальной скорости глобального конвейера МПТ на 36°с.ш. был вдвое выше, чем в 1959 г (до ВСА) и в 1993 г. (после восстановления нормальной моды). Таким образом, охлаждение и распреснение ЛВМ в Северной Атлантике в начале 1990-х годов является результатом интенсификации глобального конвейера после ВСА.

Глобальный океанский конвейер и изменения климата

В климате Северного полушария за последние десятилетия также отмечены изменения, которые можно сопоставить с колебаниями конвейера.

В 80-е годы жители Москвы помнят мягкие ("сиротские") зимы с сильными оттепелями, некоторые начинались очень поздно (зимой 1982 г. снег выпал только 3 января). Затяжная осень обычно сопровождается усилением зимнего стока рек.

В 1965-1975 гг. сток в бассейне Волги был маловодным. Сюда из Атлантики за это время пришло лишь 44 циклона, тогда как в многоводный период (1976-1985) — целых 65. К тому же в этот период циклоны были более "водоносными". Сток Волги за 1971-1977 гг. в среднем составлял 236 км3/год, а в 1978-1990 гг. — 305 км3/год.

С конца 1977 г. начался рост уровня Каспийского моря, к 1994 г. поднявшегося более чем на 2 м. Именно с 1977 г. отмечается начало последнего понижения температуры в Северном Ледовитом океане (вопреки результатам моделей при росте СО2 в атмосфере). По нашему мнению это все звенья единого природного процесса, проявившегося в обострении субполярного океанского фронта в Северной Атлантике и усилении трансэкваториального потока тепла в Северную Атлантику.

Имеется много вопросов, на которые пока нет ответов. Но уже ясно, что естественные многолетние колебания теплового и динамического режимов Мирового океана и атмосферы весьма значительны и наверняка превосходят современные предполагаемые глобальные антропогенные изменения климата.

 

Источник: журнал "Море", №2, 1998 г. 

Актуальная репликаО Русском АрхипелагеПоискКарта сайтаПроектыИзданияАвторыГлоссарийСобытия сайта
Developed by Yar Kravtsov Copyright © 2020 Русский архипелаг. Все права защищены.