Материал: Климатическая система Земли

. Причины изменения климата

Роль океана и атмосферы в транспорте тепла

Для ответа на этот вопрос нам нужно вспомнить, что плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, а удельная теплоемкость - в 4 раза. Легко подсчитать, что запас тепла всего лишь в трехметровом слое океана равен теплоемкости всей атмосферы. Однако 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. Атмосфера же представляет собой нестационарную часть, глобальная долгопериодная устойчивость которой поддерживается океаном.

Исходя из энергетических оценок возможных причин климатической изменчивости Земли, исследователи пришли к выводу об активной роли вод Мирового океана в формировании климата. Наиболее наглядно процесс преобразования энергии в климатической системе можно представить с помощью предложенной В.В. Шулейкиным 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 - муссонную циркуляцию, которая меняет в течение 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 за счет глобального контраста в температуре и солености между отдельными бассейнами Мирового океана. Изменчивость переноса между этими областями и влияет на климат.

Глобальная неоднородность океана

Температура воздуха над Северной Атлантикой выше средних показателей для Мирового океана на 9oС. Средняя температура поверхностных вод Северной Атлантики (16o С) на 6o С ниже температуры верхнего слоя северной части Тихого океана (22oС). Два эти океана имеют в средних широтах северного полушария одинаковую протяженность по широте, но средняя температура всей толщи вод Атлантики теплее на 1,3oС, а средняя соленость выше на 0,5o /oo. За счет этих различий в температуре и солености уровень северной части Тихого океана почти на 1 м выше уровня Северной Атлантики. Таким образом, в целом теплая и соленая Северная Атлантика на поверхности холоднее, а в глубинных слоях в среднем теплее холодной и пресной северной части Тихого океана. Эта аномалия связана с существенным преобладанием испарения над осадками в Северной Атлантике, разница между которыми составляет 24 тыс. км3 в год.

Области морей и океанов, характеризующиеся высоким испарением, производят интенсивный энергообмен с атмосферой. Северная Атлантика и является такой энергоактивной областью глобального значения: занимая 11% площади поверхности Мирового океана, она отдает в атмосферу 19% всего тепла, поступающего на Землю. Тепловой баланс Северной Атлантики - отрицательный, этот бассейн отдает тепло в атмосферу. Если бы сюда не поступала тепловая энергия из других частей Мирового океана через Южную Атлантику, то температура ее поверхностных вод постоянно понижалась. Благодаря свободному водообмену океанов вокруг Антарктиды меридиональный перенос тепла (МПТ) направлен в Южной Атлантике не от экватора к Южному полюсу, а от высоких широт к экватору!

Вот почему климат Европы столь благоприятен для жизни человека: его "греет" дополнительное тепло, переносимое в Атлантику из других океанов. И любое нарушение в функционировании межокеанской тепловой машины сразу же скажется на климате Европы.

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 увеличивается 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: он увеличивается от нескольких лет в глубинных слоях Северной Атлантики до сотен и нескольких тысяч лет в северо-восточной части Тихого океана.

Межокеанский обмен - движущий механизм колебаний климата

Отмеченные выше различия в свойствах отдельных бассейнов приводят к выводу о существовании межокеанского обмена свойствами. С Северной Атлантики, по нашему мнению, и начинается глобальная межокеанская циркуляция вод.

Рис. 1 Межокеанская циркуляция вод

Схема межокеанского обмена представлена на (рис.1). 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, а также формированию водных масс: промежуточной Лабрадорской и глубинной Северо-Атлантической. Они и образуют поток холодных вод, движущийся в противоположном направлении.

Устойчивая работа такого теплового океанского конвейера может давать сбои, когда в области традиционного образования глубинных вод не возникают необходимые условия для развития процессов глубокой конвекции (погружения поверхностных вод в глубь океана). При этом должна произойти перестройка всей циркуляции Мирового океана, поскольку поверхностному теплому потоку уже нет возможности беспрепятственно проникать далеко на север: без опускания холодных вод для него там нет свободного пространства. Интересно отметить, что оба режима работы конвейера устойчивы, что было показано в теоретических разработках и при моделировании процессов в океане. Для пояснения еще раз обратимся к климату, трясущемуся в кузове движущегося грузовика. Представим себе, что климат - это монета, каждая сторона которой соответствует одному из его устойчивых состояний. До определенного момента подпрыгивающая в кузове монета остается на одной из своих сторон, сохраняя текущее состояние климата. Лишь на отдельных "выдающихся" ухабах монета может перевернуться, что обернется сменой климатической ситуации. Далее монета может пребывать в новом состоянии сколь угодно долго до нового "ухаба".

Безусловно, эта аналогия слишком упрощенная. Есть веские основания считать, что "ухабы" возникают на пути климата вовсе не случайно. Вероятность их появления определяется системой прямых и обратных связей, существующих в климатической системе Земли, которые и организуют естественную цикличность смены климатических эпох. Поэтому информация о состоянии океанского конвейера даст возможность определить современное состояние климата и тенденции его развития.

В работе и других работах приведенных в статье, связанных с концепцией глобального океанского конвейера, исследователи исходили из принципа двухслойной циркуляции вод Мирового океана. В ходе последних исследований было установлено, что при изучении глобального межокеанского конвейера необходимо учитывать его взаимодействие с локальной многослойной циркуляцией Северной Атлантики. По мнению иследователей, именно это взаимодействие приводит к смене режимов глобальной циркуляции (ее изменчивости), а значит, и к колебаниям климата Земли.

О чем говорят наблюдения в Северной Атлантике?

В конце 60-х годов из-за выноса аномально большого количества льда из Арктического бассейна к востоку от Гренландии и его последующего таяния в верхнем 200-метровом слое соленость уменьшилась на 0,1 /oo, причем на поверхности аномалия достигала в отдельных районах одного промилля. Это явление получило название "Великая соленостная аномалия" (ВСА). Отметим, что для компенсации распреснения вод на 0,1o/oo (от обычных 34 до 33,9o/oo) в 200-метровом слое требуется испарить слой воды в 57 см (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 глубокой зимней вертикальной конвекции в море Лабрадор.

Таким образом, даже охлаждение зимой морской воды до температуры замерзания не позволяло активно перемешиваться всей водной толще, холодные воды были как бы заперты в верхнем слое. Следствием концентрации зоны холода у поверхности была аномально высокая ледовитость вод северо-западной части Атлантики, большая, чем в год гибели "Титаника" (1912).

Образовавшаяся аномалия холодных и пресных вод циркулировала в верхнем слое субполярного круговорота на протяжении десятилетия, а 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, в 70-е годы 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.

Великая соленостная аномалия имела и другие последствия. Поскольку меридиональный обмен вод через субполярный фронт в Северной Атлантике ослаб, уменьшились поступление тепла и его отдача в атмосферу в высоких широтах. Именно с 1977 г. отмечается начало последнего понижения температуры в Северном Ледовитом океане (вопреки результатам моделирования при учете роста концентрации двуокиси углерода в атмосфере). А что же в это время происходило в глубинах океана?

В сентябре-октябре 1993 г. в 40-м рейсе научно-исследовательского судна "Профессор Мультановский" был выполнен океанографический разрез по 36o с. ш. в Атлантике. Анализ результатов рейса выявил удивительные факты, приведенные на рис.2.

Рис. 2.

Изменение распределения потенциальной температуры (вверху) и солености (внизу) на зональном разрезе по 36o с.ш. Атлантического океана за приод 1959-1993 гг. Области отрицательных температур и повышенной солености показаны серым тоном

Во-первых, наблюдаются климатически значимое постоянное охлаждение и распреснение глубинных слоев Северной Атлантики на протяжении последних 30 лет.

Во-вторых, свойства промежуточных вод также изменялись: в 60-70-х годах они теплели, а в 80-90-е годы - резко охлаждались и распреснялись.

В-третьих, обнаружено, что циркуляция глубинных вод Северной Атлантики изменялась: их основной поток смещался на юг от материкового склона Северной Америки к западному склону Срединно-Атлантического хребта. Охлаждение и распреснение толщи вод Северной Атлантики зафиксировано также в субполярных областях в 1991 г. и на 48o с.ш. в 1992 г.. Данные исследователей показывают, что охлаждение Атлантики к концу 1993 г. распространилось до субтропических широт. Однако если Великая соленостная аномалия была приурочена к верхнему 1000-метровому слою, то охлаждение и распреснение начала 90-х годов коснулось лишь промежуточных и, что очень важно, глубинных слоев.

Анализ двух этих природных феноменов, наблюдавшихся в Северной Атлантике, дает нам ключ к пониманию механизма взаимодействия локальной многослойной циркуляции холодных вод Северной Атлантики и межокеанского конвейера - механизма воздействия океана на климат.

По мнению исследователей, все эти факты - звенья единого природного процесса, проявившегося в обострении субполярного океанского фронта в Северной Атлантике и ослаблении там глобального конвейера. Таким образом, учёные пришли к парадоксальному факту: холодные воды Северной Атлантики контролируют количество теплоты в атмосфере над средними и высокими широтами Северного полушария!

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.

Атмосферу, неравномерно разогретую по горизонтали солнечными лучами, можно рассматривать как тепловую машину. Она превращает тепловую энергию Солнца в кинетическую энергию ветров. Наиболее теплые части атмосферы выполняют в этом случае функции нагревателя, а самые холодные - холодильника. Рабочим телом служит сам воздух. В физике атмосферы сегодня известны несколько тепловых машин. Важнейшие из них - тепловые машины, порождаемые контрастом температур между экватором и полюсами. Известный отечественный геофизик В.В.Шулейкин назвал их тепловыми машинами первого рода. Одна из них работает в Северном полушарии, другая - в Южном. Благодаря этим машинам поддерживаются восточные ветры в низких широтах и западные - в умеренных и высоких. Чем больше контраст температур между экватором и полюсом, тем интенсивнее атмосферная циркуляция в данном полушарии и тем больше величина момента импульса ветров.

Контраст температур в каждом полушарии колеблется с годовым периодом. Он бывает наибольшим зимой, а наименьшим - летом. Поэтому момент импульса ветров Северного полушария, удерживаемый тепловой машиной первого рода, совершает гармонические колебания с периодом в один год (от максимального значения в январе до минимального в июле). В Южном полушарии годовое колебание имеет противоположную фазу: момент импульса максимален в июле, а минимален в январе. Поэтому годовые колебания ветров Северного и Южного полушарий компенсируют друг друга и момент импульса ветров всей атмосферы должен оставаться почти постоянным.

атмосфере имеется межполушарная тепловая машина, нагревателем которой служит атмосфера летнего полушария, а холодильником - атмосфера зимнего. Межполушарная тепловая машина препятствует работе тепловых машин первого рода: она уменьшает величину момента импульса ветров, удерживаемую в атмосфере тепловыми машинами первого рода. Чем больше контраст температур между полушариями, тем значительнее этот эффект. В январе и июле, когда межполушарная тепловая машина действует наиболее интенсивно, момент импульса ветров уменьшается до минимальных значений.

В апреле и ноябре температурные различия между атмосферой Северного и Южного полушарий выравниваются; межполушарная тепловая машина прекращает свою работу, поэтому в атмосфере удерживается предельно большая величина момента импульса ветров.

Литература

климат полушарие температура атмосферный

1. Лаппо С.С. К вопросу о причинах адвекции тепла на север через экватор в Атлантическом океане //Исслед. процессов взаимодействия океана и атмосферы. М., 1984. С. 125-129.

. Статья Лаппо С.С., Соков А.В., Терещенков В.П., Добролюбов С.А. //Океан и колебания климата. Дата просмотра 01.09.14 время 19-00. http://ocean.phys.msu.ru/courses/geo/lib/articles/Океан%20и%20колебания%20кли-мата/lappo.htm,

. Статья. //Климат на планетах солнечной системы. Дата просмотра 01.09.14 время 19-00. http://klnpss.narod.ru/Earth.htm. 

. Михеев В.А. Учебное пособие по Гидрологии. Ульяновск 2010 http://samorazvitie.net/book/105-gidrologiya-v-a-mixeev/2-annotaciya.html Дата просмотра 03.09.14 время 19-30