Океанические течения: погода на конвейере

01 июля 2011 года, 00:00

Океан оказывает влияние на климат и сам откликается на климатические изменения. Так, в последнее время средняя высота волн в Атлантическом океане увеличивается примерно на сантиметр в год. Это может свидетельствовать о масштабных переменах климата. Фото: CORBIS/FOTO S.A.

Перемещение вод в океане — один из самых важных факторов, определяющих погоду на суше. Ослабление «океанического конвейера» может привести к похолоданию в Северной и Центральной Европе.

Мировой океан — это не просто огромный водный бассейн, плещущий волны на берег. Мировой океан — это безостановочный круговорот воды. Его взаимодействие с атмосферой во многом определяет и климат, и погоду на планете. Количество тепла, поступающего на верхнюю границу атмосферы Земли, из года в год почти одно и то же, однако пропорции переносов тепла в океане и атмосфере могут меняться. Океан и атмосфера непрерывно обмениваются теплом, и иногда в атмосфере оказывается чуть больше тепла, а в океане чуть меньше, иногда — наоборот. Солнечная энергия поступает на поверхность Земли неравномерно: максимум — на экватор, минимум — на полюсы. Океанские течения и атмосферные потоки переносят тепло оттуда, где его больше, туда, где его меньше, то есть от экватора к полюсам. Океан и нагревается, и остывает гораздо медленнее, чем суша. Поэтому чем ближе океан, тем выше зимние и ниже летние температуры на поверхности Земли. Тем самым океаны стабилизируют, смягчают климат прибрежных областей. Если бы океанов не было, то средняя температура поверхности Земли была бы на 36 °С ниже нынешней и составляла бы всего –21 °С.

Над океаном формируются атмосферные циклоны, которые переносят влагу на сушу. Так, циклоны, переносящие влагу в европейскую часть России, возникают в зоне Гольфстрима, теплого течения в Атлантическом океане. Это поверхностное течение, поэтому его расход (объем воды, протекающей за единицу времени) зависит как от температуры и солености воды, так и от дующих в Атлантике ветров. А на соленость и температуру, в свою очередь, влияет взаимодействие океана и атмосферы: течение усилилось и принесло больше тепла в Арктику, следовательно, из Арктики придет больше льда, чтобы растаять в Северной Атлантике. Если же течение сместится южнее или севернее, то в зависимости от этого в атмосферные циклоны перейдет больше или меньше тепла и влаги.

Гольфстрим приносит тепло в Северную Атлантику, а затем это тепло переходит в атмосферу и идет в Европу с ветрами и циклонами. На одной и той же широте среднегодовая температура может отличаться на десятки градусов: на побережье Норвегии она составляет +10–12 °С, а на полуострове Лабрадор в Северной Америке может опускаться до –20 °С. На Лабрадоре, находящемся на широте Парижа, преобладает лесотундра, потому что сюда приходит холодное Лабрадорское течение. На Канарских островах, лежащих на широте Каира, всегда умеренные температуры. Здесь проходит Канарское течение, поверхностные воды которого относительно холодные, поскольку по мере продвижения на юг течение принимает воды, поднимающиеся из глубин Атлантики.

На климат Северного полушария и в особенности Европы оказывает влияние Северо-Атлантическое колебание (САК). САК связано с изменением разницы атмосферных давлений между максимумом у Азорских островов и минимумом у берегов Исландии. Чем больше разница этих давлений, тем сильнее так называемый западный перенос (движение воздуха с запада на восток) в атмосфере умеренных широт. В итоге формируется больше циклонов, приносящих влагу в Европу, растет число штормов, становятся более влажными Северная Европа и север Европейской России, а зона Средиземного моря — более сухой. Малая же разница давлений замедляет западный перенос, затрудняет движение циклонов, поэтому в Скандинавии и на севере России становится суше, уменьшается число штормов, а в Средиземноморье приходит больше влаги.

Две тысячи лет в пути

Некогда считалось, что течения в океане определяются только ветром. В умеренных широтах ветер с Атлантики дует в Европу. А в тропических широтах дуют пассаты, направленные с востока на запад. Однако в ХХ веке было установлено, что на круговорот воды в океане, кроме ветров, сильно влияет изменение плотности воды. Чем вода холоднее и солонее, тем она тяжелее. Такая вода погружается на глубину.

Существуют две области, в которых вода перемешивается до самого дна: одна находится в Северной Атлантике, а именно у южной оконечности Гренландии, а вторая — в Антарктиде, в море Уэдделла. Северный источник более мощный, поскольку на севере Атлантики вода не только холодная (+2–3 °С), но и весьма соленая. (Вода в море Уэдделла более холодная, ниже нуля градусов, но менее соленая.) В этих двух зонах самая плотная вода, и, опускаясь, она задает движение в Мировом океане.

Когда на канадском полуострове Лабрадор еще холодно, в Норвегии, лежащей даже чуть севернее, зацветает клубника. Фото: CORBIS/FOTO S.A.

Общую схему межокеанской циркуляции в 1980-х годах предложил американский океанолог Уоллес Брокер. Он назвал ее Глобальным океанским конвейером. От южной оконечности Гренландии холодная и соленая глубинная вода с Западным Пограничным течением движется на юг, где его подхватывает Антарктическое Циркумполярное течение, проходящее вдоль Антарктиды, и переносит в Тихий океан. Этот путь в 40 000 километров глубинная вода проходит примерно за 1500– 2000 лет.

На поверхности Тихого океана вода довольно пресная, поскольку его северная часть принимает тепло из атмосферы, и осадки здесь превышают испарение. Она даже зимой не набирает такой плотности, которую имеет вода, идущая со стороны Гренландии, и потому остается на поверхности. Вода «более охотно» движется по горизонтали, потому что слой скачка плотности препятствует ее перемешиванию по вертикали (слой скачка плотности образуется при распространении по поверхности океана пресных вод; в Тихом океане распреснение — уменьшение солености — происходит за счет превышения осадков над испарением). Из северной части Тихого океана вода в верхнем слое идет через моря Индонезии, с Пассатным течением Индийского океана вокруг Африки, в Мексиканский залив, и с Гольфстримом и его северным продолжением, Северо-Атлантическим течением, возвращается на север Атлантики, в Норвежское и Гренландское моря. В этом регионе океан интенсивно отдает тепло в атмосферу, вода охлаждается и погружается на глубину, давая начало следующему витку движения на юг. Словом, холодная вода идет на юг в глубинном слое, а теплая — в верхнем слое — движется обратно. В связи с этим Брокер предположил, что изменения режима перемешивания океана могут вызывать резкие изменения климата.

Крупнейший пример такой перемены — образование Панамского перешейка. Он соединил Центральную Америку с Южной и стал границей между Тихим океаном и Карибским морем, относящимся к Атлантическому океану. В самой узкой части его ширина всего 48 км. Если бы перешейка не было и вода здесь текла без помех, то сравнялись бы температура, соленость и уровень воды в Панамском заливе и Карибском море и обмен воды в глубинном слое был бы свободным. Панамский перешеек возник примерно 3 миллиона лет назад. После его возникновения Северная Атлантика потеплела на 6–7 градусов, а в Южном полушарии, наоборот, похолодало. Таким образом, благоприятный для человека климат в Европе возник благодаря перешейку, породившему глобальную межокеанскую циркуляцию.

Куда потечет Гольфстрим?

Между тем по мере исследования конвейера становится ясно, что он устроен гораздо сложнее, чем предполагал Брокер. В частности, спорным остается вопрос, что является основным движителем конвейера: повышенная плотность воды, влекущая ее на глубину, или сильные ветры, заставляющие ее подниматься к поверхности. Океанолог Сьюзан Лозье (США) считает, что в перемещении глубинных вод большую роль играют атмосферные вихри. Российский океанолог Сергей Лаппо в 1984 году предположил, что межокеанская циркуляция вызвана разницей температуры и солености Атлантики и Тихого океана. В Северной Атлантике испарение очень сильно превышает осадки, а испарение — это отдача тепла, поэтому Северная Атлантика так энергично отдает тепло в атмосферу. В Тихом океане, наоборот, осадки превышают испарение, северная часть Тихого океана принимает тепло из атмосферы, принимает пресную воду, поэтому там соленость низкая. Средняя температура воды по всему объему Северной Атлантики — даже если брать вместе с Северным Ледовитым океаном — более чем на градус выше, чем в Тихом океане, и на полпромилле солонее. Это сказывается на уровне океанов. «По спутниковым данным, — говорит Сергей Добролюбов, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой океанологии МГУ им. М.В. Ломоносова, — в Тихом океане уровень примерно на 70 см выше, чем в Атлантике. По наклону уровня и работает верхняя ветвь глобального конвейера, а в глубинном слое вода течет в другую сторону».

Глобальный конвейер может давать сбои. Если в Северной Атлантике ослабевает ветер, уменьшается испарение, оттаивает часть гренландского ледника или тает морской лед (его соленость очень низкая, всего 1–2 промилле против 35 у морской воды), то в силу распреснения на поверхности там образуется меньше глубинной воды. Тогда меньше воды уйдет на юг и меньше поступит с юга ей на смену в верхний слой, и Гольфстрим принесет меньше тепла в Европу.

Наблюдения показывают, что в последние десятилетия Северная Атлантика заметно преснеет. Модели развития событий, в которых заложено удвоение количества CO2 в атмосфере, предсказывают некоторое ослабление конвейера к 2100 году из-за таяния гренландского льда и уменьшения площади льда арктического. Но эти модели не могут учесть всех факторов, к тому же неизвестно, произойдет ли на самом деле к концу века удвоение количества CO2.

Модели с удвоением концентрации CO2 прогнозируют отклонение траекторий циклонов примерно на 15 градусов по часовой стрелке. Об этом же говорят данные наблюдений: в последнее время общее направление движения циклонов повернулось по неясным пока причинам по часовой стрелке, то есть циклоны стали выходить из Атлантики не на Мурманск, а на Москву и Воронеж. Наблюдения показывают, что глубинная циркуляция замедляется. Если это так, то изменится и поток тепла из низких широт Атлантики в высокие, а также из океана в атмосферу. Потепление на поверхности воды за счет таяния льда или превышения осадков над испарениями может привести к ослаблению океанического конвейера в Атлантическом океане и к похолоданию в Северной и Центральной Европе.

Летом 2010 года появились панические сообщения, что Гольфстрим замедлил свое течение. В основном эти выводы базировались на спутниковых наблюдениях за температурой его поверхности. «Кратковременные изменения в структуре течения имели место; возможно, они были связаны с аварией на нефтяной платформе в Мексиканском заливе в прошлом году, — говорит Владимир Иванов, ведущий научный сотрудник Института Арктики и Антарктики. — Но на данный момент все более или менее возвратилось к обычному состоянию. Никаких катастрофических изменений не прослеживается ».

Однако Гольфстрим может и не ослабевать, а лишь менять широты, по которым он пересекает Атлантику. В зависимости от того, южнее или севернее он пойдет, будут формироваться разные потоки влаги и тепла, потому что контраст с воздухом будет разный. Если течение пойдет южнее — теплый воздух содержит больше влаги, — образуются более мощные циклоны.

Сколько воды утекло

Единица измерения расхода воды в потоках — свердруп (Св). Она получила свое название в честь одного из первых океанологов, норвежца Харальда Свердрупа. Один свердруп равен одному миллиону кубометров в секунду. Расход самой мощной реки мира — Амазонки — 0,2 свердрупа. Расход Гольфстрима — 100 свердрупов, то есть в 500 раз больше, чем расход Амазонки. А самое мощное течение в океане — Антарктическое Циркумполярное (АЦТ), которое окружает Антарктиду, двигаясь в восточном направлении. Это единственное течение, которое пересекает все долготы на земном шаре. АЦТ течет относительно медленно, его скорость не превышает 0,7 км/ч, но площадь поперечного сечения огромна: глубина до 2000–4000 м и ширина до 2000 км. Поэтому оно переносит больше воды, чем любое другое течение: его расход достигает 150 Св.

Тот ураган прошел

Когда случилась авария в Мексиканском заливе, жители Европы и Северной Америки забеспокоились: как она скажется на Гольфстриме? Океанологи считают, что катастрофа в заливе не оказала никакого влияния на климат. Однако она, возможно, повлияла на погоду (климатом называется многолетний статистический режим погоды, характерный для некоторой местности, а погода — это временное состояние атмосферы в данной местности). Нефть, попадая на поверхность океана, формирует тонкую пленку. Эта пленка может вызывать уменьшение теплообмена между океаном и атмосферой. Что касается атмосферы, то этот поток тепла влияет на формирование циклонов, тайфунов, ураганов. Что касается океана, он влияет на температуру и соленость воды. Вместе два эти процесса вызывают краткосрочные изменения погоды. «В Мексиканском заливе произошел беспрецедентный выброс углеводородов, — отмечает Владимир Иванов. — Не исключено, что когда-нибудь ученые установят, что московская жара в июле — августе 2010 года через систему сложных взаимозависимостей связана с катастрофой в заливе. Но на сегодняшний день этот вопрос остается открытым».

От гренландских ледников откалываются айсберги, которые распресняют воду в Северной Атлантике. Фото: FLICKR.COM

Возможно, авария повлияла и на число тропических циклонов. По данным Гидрометеоцентра, в прошлом году их было меньше, чем в предыдущие годы. Согласно модели тропических ураганов, предложенной британским ученым сэром Джеймсом Лайтхиллом, профессорами Александром Чориным (Калифорнийский университет, США), Валерием Простокишиным (Институт океанологии РАН) и Григорием Баренблаттом, профессором Калифорнийского университета (Беркли), консультантом Института океанологии РАН, в тропических ураганах (это подтверждено наблюдениями) имеется слой толщиной примерно 100 м над поверхностью воды, который заполнен взвешенными каплями, — «океанический аэрозоль». Эти капли подавляют турбулентность (часть энергии турбулентных вихрей тратится на «взвешивание» капель), и ветер сильно разгоняется. «Пленки масла предотвращают образование капель, — говорит Григорий Баренблатт, — турбулентность восстанавливается и ветер ослабевает. Именно по этой причине разлив нефти в Мексиканском заливе предотвратил сильные ураганы. Нефтяная пленка и сейчас останавливает образование капель».

«Если катастрофа в Мексиканском заливе и могла сыграть в этом свою роль, то она уже сыграла, — добавляет Владимир Иванов. — Проверить это, увы, невозможно: для этого необходимо иметь длинные ряды наблюдений, которые, к сожалению, в гидрометеорологии в большинстве случаев отсутствуют».

И все-таки размах климатических колебаний любого параметра, по данным наблюдений, возрастает. Средняя высота волны в Атлантике за 10 лет выросла на 10–12 см, то есть растет по сантиметру в год. Это немного, но если средняя высота волны — 2 м, то через 20 лет она составит 2,20 м. Возможно, это свидетельство текущих и грядущих климатических изменений.

Между тем ученые избегают давать точные прогнозы относительно того, как изменится климат, если Гольфстрим все-таки ослабеет. «Вероятность любого прогноза, основывающегося на модели (а другого прогноза мы в принципе дать не в состоянии), не может быть стопроцентной, — говорит Владимир Иванов. — Бывает, что прогноз сбывается с точностью до наоборот. И я рекомендую принять это как данность: мы действительно не можем сейчас это точно сказать».

Рубрика: Наука
Ключевые слова: климат
Просмотров: 17837