Океан и климат

В последние десятилетия сложилось понимание того, что океан и атмосферу нужно рассматривать как единую систему. Эти две среды, находясь в непосредственном контакте, непрерывно обмениваются энергией (внутренней и механической) и веществом. Все процессы в океане и атмосфере (кроме приливов) имеют единый источник энергии — солнечное излучение. Усвоение солнечной радиации зависит от состояния атмосферы и океана, поэтому нельзя отделить получение энергии от процесса ее передачи и трансформации, которые вместе формируют природную среду, ее физические, химические и биологические характеристики, а также скорость преобразования энергии из одного вида в другой.

Океан — не только аккумулятор и перераспределитель теплоты в пространстве и во времени, но и главный поставщик атмосферной влаги, оказывающей не меньшее влияние на термодинамику атмосферы, чем солнечная радиация. Достаточно отметить, что благодаря конденсации влаги воздух получает больше теплоты, чем приносят ему турбулентный перенос и поглощение солнечной радиации. Велика роль влаги и в сконденсированном состоянии как экрана, перераспределяющего тепловые потоки не только в атмосфере, но и в океане. Влагообмен океана с атмосферой влияет через изменение солености воды и на состояние океана. При этом обратного эффекта влияния солености на испарение или осадки не наблюдается.

Если океан влияет на атмосферные процессы в основном через тепло- и влагообмен, то атмосфера воздействует на океан не только через эти потоки, но и динамически. Термический режим и соленость вод океанов и морей, течения в значительной мере обусловлены действием атмосферы, если не непосредственно, то косвенным образом. Атмосферные движения вызывают перемещения больших масс воды, переносящих накопленную ими теплоту в районы с совершенно иными климатическими характеристиками, где эта тепловая аномалия изменяет свойства воздушной массы над океаном. Передача атмосферой количества движения (импульса) — важнейшая причина возникновения движения в верхнем слое океана. Под воздействием касательного напряжения ветра в океане возникают ветровые волны, турбулентность, дрейфовые течения. Колебания атмосферного давления напрямую изменяют уровень океана, вызывают сгонно-нагонные явления.

Очень важен в современных условиях и газообмен между океаном и атмосферой. Например, океаны содержат в 50 раз больше диоксида углерода, чем атмосфера. В настоящее время примерно ⅓ часть ежегодного антропогенного поступления СО₂ от сжигания топлива в атмосферу усваивается океаном.

Таким образом, под взаимодействием между океаном и атмосферой следует понимать совокупность разномасштабных процессов перераспределения и трансформации солнечной энергии, водяного пара, газов, солей, количества движения (импульса) в процессе обмена свойствами между океаном и атмосферой, в результате которых формируется природа Земли.

При взаимодействии атмосферы и океана, как правило, трудно выделить причину и следствие того или иного процесса, поскольку воздействие одной сферы на другую происходит с многочисленными обратными связями. Положительные обратные связи усиливают первоначальное воздействие, отрицательные (их большинство) — препятствуют его развитию. Например, при увеличении температуры поверхности океана увеличивается испарение, в атмосферу попадает больше влаги, увеличивается облачность, задерживающая длинноволновое излучение поверхности океана. При этом температура подоблачного слоя атмосферы и поверхности океана еще более возрастает — это положительная обратная связь. С другой стороны, возрастание облачности повышает альбедо атмосферы, меньше коротковолновой радиации достигает поверхности океана, и ее температура должна понижаться — так работает отрицательная обратная связь.

Взаимодействие океана и атмосферы охватывает очень широкий диапазон масштабов — от долей секунды и сантиметров до сотен лет и десятков тысяч километров. В то же время каждый масштаб характеризуется и своими особенностями обмена энергией, влагой, газами и другими компонентами, а также своими механизмами превращений энергии и вещества. Выделяют следующие наиболее важные временные масштабы изменчивости океанских процессов:

мелкомасштабный (10^-1—10³ с, т.е. от долей секунды до десятков минут) — он достаточно хорошо прослеживается как в атмосфере, например по скорости ветра, так и в океане — он соответствует периоду ветровых волн;

мезомасштабный (10⁴—10⁵ с) — этот класс явлений с периодом от часов до суток выделяется в связи с широко встречающейся внутрисуточной изменчивостью гидрометеорологических элемен­ов;

синоптический (10⁶—10⁷ с, от нескольких суток до месяцев), связанный с атмосферными и океанскими вихрями, фронтальными зонами, неоднородностью потоков теплоты и импульса;

сезонный (годовой период), определяемый годовым склонением Солнца и поступлением солнечной радиации на поверхность раздела океан—атмосфера;

межгодовой, связанный с колебаниями характеристик теплообмена отдельных областей океана и всей атмосферы, самый яркий пример такого колебания — явление Эль-Ниньо/Южное Колебание в низких широтах;

долгопериодный (внутривековой и межвековой), определяемый изменчивостью формирования глубинных водных масс океана и глобальной циркуляции.

Часто эти масштабы, начиная с синоптического, объединяют в общую группу крупномасштабных процессов. Именно для этих масштабов характер изменчивости климатической системы Земли в значительной степени определяется процессами, происходящими в океане.

С точки зрения оценок крупномасштабной изменчивости океана и его действия на изменение атмосферной циркуляции потоки энергии океан — атмосфера являются ключевым фактором, характеризующим одновременно изменения температуры поверхности океана и приводного слоя воздуха. В гл. 3 уже отмечалось, что теплоемкость всей атмосферы соответствует теплоемкости слоя в океане толщиной лишь 3 м. Из сопоставления теплоемкостей океана и атмосферы становится ясно, что в среднем океан — тепловой резервуар, значительно превосходящий атмосферу по запасам внутренней энергии. Скорость преобразования энергии в атмосфере во много раз превышает скорость ее трансформации в океане. В системе океан — атмосфера океан служит инерционной средой, медленно накапливающей изменения своих характеристик. Атмосфера же представляет собой нестационарную часть, глобальная устойчивость которой поддерживается океаном.

Крупномасштабный теплообмен океана и атмосферы определяется разностями температур вода — воздух. Средняя температура поверхности воды в океане 17,5 °С, примерно на 3 °С выше температуры приземного слоя воздуха (14,5 °С). Максимума (5—7 °С) эти различия достигают во фронтальных областях, приуроченных к границам теплых и холодных течений — Гольфстрима и Лабрадорского, Куросио и Курило-Камчатского, где складываются специфические условия выноса на теплую поверхность океана холодного континентального воздуха. Поскольку потоки энергии между океаном и атмосферой определяются контрастами температуры в зоне их контакта, такие районы называют энергоактивными областями, т. е. акваториями с повышенной активностью энергообмена. Среди таких областей, помимо вышеперечисленных, следует отметить районы муссонной циркуляции (моря Индонезии), районы апвеллинга (Канарского, Перуанского и т. д.), области окраинных морей (Норвежского, Гренландского, Берингова). Всю акваторию Северной Атлантики можно считать энергоактивной зоной глобального масштаба: занимая 11% площади Мирового океана, она обеспечивает 19% общего потока энергии в атмосферу (причины этого будут объяснены ниже).

В разд. 3.3 было указано, что поглощаемая Землей приходящая коротковолновая солнечная радиация в отдельной точке не компенсируется уходящей длинноволновой радиацией, хотя при этом интегральный тепловой баланс планеты остается нулевым. Следовательно, избыточная тепловая энергия, получаемая в тропиках, должна переноситься в высокоширотные районы и тем самым обеспечивать стабильный тепловой режим на планете. Этот меридиональный перенос тепловой энергии может осуществляться в двух средах — океане и атмосфере (расходы воды рек, текущих в меридиональном направлении — Нила, Оби, Енисея, Лены и т.д., несопоставимы с расходами океанских течений). До недавнего времени считалось, что меридиональный перенос теплоты в атмосфере во много раз больше, чем в океане. Лишь с развитием спутниковых методов оценки радиационного баланса было установлено, что океанское звено меридионального переноса тепловой энергии сравнимо с атмосферным.

К настоящему времени существует два основных метода оценки меридионального переноса теплоты в океане. Один из них использует имеющиеся данные океанографических наблюдений на широтных разрезах, при этом поток теплоты представляет собой просуммированное по всем станциям и горизонтам наблюдении произведение удельной теплоемкости воды на скорость меридионального течения и температуру (таким же образом рассчитывают и тепловой поток рек – см. формулу (6.57)). В другом методе на основе карт теплового баланса поверхности океана меридиональный перенос теплоты вычисляется как остаточный член уравнения бюджета (баланса) Оплоты (см. формулу (2.7)). На рис. 10.25 приведено распределение меридионального переноса теплоты в целом по Мировому океану и для его отдельных частей (севернее 40° ю. ш., с учетом адвекции теплоты из Тихого океана в Индийский через моря Индонезии). Максимумы потока теплоты для Мирового океана в целом приурочены к 20-25° широты и составляют около 2,5 Петаватт (1 Петаватт – сокращенно ПВт – равен 10¹⁵ Вт) в сторону полюсов; переносы постепенно уменьшаются к высоким широтам и экватору. Для сравнения в атмосфере максимумы переносов теплоты от экватора к полюсам составляют 4–5 ПВт, но они расположены в умеренных широтах, а в тропиках океанский перенос превышает атмосферный.

В Тихом океане поток теплоты в целом соответствует картине для Мирового океана, в Индийском океане, ограниченном с севера тропическими широтами, перенос теплоты повсеместно направлен на юг, к Антарктиде. Напротив, в Атлантическом океане тепловая энергия на всех широтах переносится к северу. Таким образом, мы имеем в последнем случае парадоксальный результат: океан в районе Антарктиды передает теплоту экваториальным широтам, что противоречит упомянутой ранее картине перераспределения солнечной энергии от низких широт к высоким. Чтобы понять, каким образом возникло аномальное направление потока теплоты в Атлантике, следует рассмотреть особенности этого океана по сравнению с другими и механизмы перераспределения тепловой энергии на Земле.

Рис 10.25. Меридиональный перенос тепловой энергии океанами (10¹⁵ Вт).

Положительное направление — на север

Наиболее наглядно процесс преобразования энергии в климатической системе можно представить с помощью предложенной В.В. Шулейкиным (1968) концепции природных тепловых машин разных масштабов. Природная тепловая машина первого рода работает на контрасте экватор (нагреватель) — полюса (холодильники). Машина второго рода отвечает за обмен воздушными массами между океаном и континентами — за муссонную циркуляцию, которая меняет в течение года направление в соответствии с тем, как меняют свою относительную роль нагревателей и холодильников континенты и океаны. С.С. Лаппо (1984) предположил, что существует и более крупная по масштабу тепловая машина «нулевого рода». Она работает за счет глобального контраста в температуре и солености воды между отдельными бассейнами Мирового океана и приводит к возникновению глобальной межокеанской циркуляции или «глобального океанского конвейера».

Возникновение межокеанской циркуляции во многом определяется особенностями географического положения Атлантического океана. Меридиональное простирание и относительная узость по широте, свободный водообмен с Арктическим бассейном и приантарктическими секторами Тихого и Индийского океанов, гидрологические особенности окраинных морей, отсутствие значительных орографических барьеров для воздушных масс у западного берега в умеренных широтах — все это формирует своеобразную картину тепло- и влагообмена на его поверхности. В целом Атлантика, в отличие от других океанов, отдает теплоту в атмосферу — 0,6 ПВт, а превышение испарения над осадками и речным стоком достигает 0,3 миллиона м³/с. Интересно сравнить средние характеристики Тихого и Атлантического океанов к северу от экватора. Поверхностный слой Атлантики оказывается на 6 °С холоднее, чем в Тихом океане. Но при этом, по расчетам С.А. Добролюбова (1987), средняя по объему температура всей толщи вод северной части Атлантики теплее на 1,3 °С, а средняя соленость выше на 0,5‰, чем в северной части Тихого океана. Таким образом, в целом теплая и соленая Северная Атлантика на поверхности холоднее, а в глубинных слоях в среднем теплее холодной и распресненной северной части Тихого океана. Вследствие этих различий средняя плотность воды северной части Тихого океана от поверхности до дна оказывается значительно ниже, а уровень поверхности — почти на 1 м выше, чем в Северной Атлантике, причем эта разница более чем на ³/₄ определяется различиями в солености. Поток теплых вод по наклону уровня из Тихого океана в Атлантику через моря Индонезии, Индийский океан и вокруг Южной Африки и составляет верхнюю ветвь «глобального океанского конвейера».

Схема такого межокеанского обмена представлена на рис. 10.26. На схеме видно, как в поверхностных слоях идет поток теплых вод из Тихого и Индийского океанов в субполярные районы Северной Атлантики. Процессы взаимодействия между океаном и атмосферой приводят к охлаждению воды и ее погружению в глубь океана, т.е. к формированию глубинной Северо-Атлантической водной массы, образующей поток холодных вод, который движется в противоположном направлении. Вследствие разности температур движущихся на север теплых вод и распространяющейся на юг Северо-Атлантической глубинной воды формируется дополнительный поток теплоты в Северное полушарие, приводящий, в конечном счете, к смягчению климата Европы. Таким образом, возникающая в результате градиентов солености вод межокеанская циркуляция определяет тепловое взаимодействие между океаном и атмосферой.

Рис. 10.26. Схема глобальной межокеанской циркуляции вод

Глобальная неоднородность проявляется и в распределении биогенных элементов (растворенного фосфора, кремния и азота) в Мировом океане: их содержание, начиная от наименьших концентраций в Северной Атлантике, постепенно возрастает по мере приближения к антарктическим водам и далее — с юга на север в Тихом океане. Характер увеличения концентрации этих элементов в Мировом океане отражает и возраст вод: от нескольких лет в глубинных слоях Северной Атлантики до 1500—2000 лет в северо-восточной части Тихого океана.

Устойчивая работа такого «теплового океанского конвейера» может давать сбои, когда в области традиционного образования глубинных вод в районе Гренландии не возникают необходимые условия для развития процессов глубокой конвекции (погружения поверхностных вод в глубь океана). Изменение интенсивности конвекции определяется как атмосферными условиями (суровость зим, скорость ветра и т.д.), так и притоком вод с аномальной соленостью. Все это приводит к перестройке глобальной циркуляции в океане, к пространственному перераспределению энергоактивных зон, что, в свою очередь, отражается на циркуляции атмосферы и, следовательно, на состоянии климата.

Так, за последние годы было обнаружено, что в Северную Атлантику иногда поступает сильно распресненная вода из Арктического бассейна. Наиболее интенсивно этот процесс развивался в 1970-е годы. Наличие слоя распресненной, а значит, и более легкой воды, на поверхности в районах формирования глубинных вод к югу от Гренландии привело к прекращению глубокой зимней конвекции. Даже охлаждение зимой морской воды до температуры замерзания не позволяло активно перемешиваться всей водной толще. Следствием этого была аномально высокая ледовитость вод северо-западной части Атлантики, большая, чем в год гибели «Титаника» (1912). При этом теплому потоку верхнего звена глобального конвейера уже не было возможности беспрепятственно проникать далеко на север: без опускания холодных вод для него там нет свободного пространства. К северу от Северного полярного фронта накапливались холодные воды, к югу — теплые. Контраст температур на фронте обострялся, в результате с середины 1970-х годов увеличилось количество образующихся над Северной Атлантикой атмосферных циклонов и количество переносимой ими влаги. За 10 лет (1976—1985) на Европейскую территорию России из Атлантики пришло в 1,5 раза больше циклонов, чем в предшествующее десятилетие (1966—1975). Сток Волги за 1970—1977 гг. в среднем составлял 207 км³/год, а в 1978—1995 гг.—274 км³/год. С конца 1977 г. начался рост уровня Каспийского моря, к 1994 г. поднявшегося более чем на 2 м (см. разд. 7.10).

Вплоть до недавнего времени считалось, что в глубинных слоях океана отсутствует изменчивость характеристик водных масс. Однако в 1990-х годах были обнаружены значимые климатические изменения температурно-соленостных характеристик на промежуточных и придонных горизонтах, колебания переносов теплоты океанскими течениями в умеренных широтах. Например, наблюдается климатически значимое постоянное охлаждение и распреснение глубинных слоев Северной Атлантики на протяжении 1970—1990-х гг., сменившееся к началу XXI в. фазой потепления. Оказалось, что на этот процесс оказывают воздействие колебания атмосферного давления в северной части Атлантики — так называемое Северо-Атлантическое колебание. Индекс этого колебания тем выше, чем больше разница давлений между Азорским максимумом и Исландским минимумом. При большой величине индекса усиливается западный перенос в атмосфере умеренных широт, интенсивность циклонов в области формирования глубинных вод, глубина конвекции, объем вновь образующейся глубинной воды, меридиональный перенос теплоты в средних широтах Атлантики, малые значения индекса замедляют все эти процессы.

Таким образом, условия на поверхности океана не только влияют на характеристики теплообмена с атмосферой, но и на глубинные воды, а значит, и на весь «межокеанский конвейер». Поскольку движение вод у дна океана происходит очень медленно, климатический сигнал в виде аномалии температуры и солености из Северной Атлантики распространяется в нижнем звене «глобального конвейера» за многие сотни и даже тысячи лет.

Анализ подобных природных феноменов дает ключ к пониманию механизма воздействия океана на климат: холодные воды Северной Атлантики контролируют количество теплоты в атмосфере над средними и высокими широтами Северного полушария. Поэтому информация о состоянии «океанского конвейера» даст возможность определить современное состояние климата и тенденции его развития.