Атлантическая циркулярка

В Западной Европе теплее, чем в Америке или Азии в тех же широтах. Мы со школьной скамьи будто бы знаем, почему — европейцам повезло с Гольфстримом, теплым атлантическим течением. Поэтому заголовки о том, что оно замедляется, читаем как пророчество о неминуемом «климатическом закате» Европы. Но все, естественно, намного сложнее. О том, насколько велика роль Гольфстрима для европейского климата, замедляется ли циркуляция воды в Атлантике, кто рискует из-за этого замерзнуть и при чем тут глобальное потепление, рассказывает климатолог, старший научный сотрудник Лаборатории теории климата Института физики атмосферы имени Обухова РАН Александр Чернокульский.

22 апреля 1513 года испанский конкистадор Хуан Понсе де Леон записал в судовой журнал: недалеко от берегов полуострова Флорида его корабли попали в такое сильное течение, что не смогли продвинуться вперед даже несмотря на попутный ветер. Это первое письменное упоминание Гольфстрима, хотя он наверняка был известен местным жителям и до появления в этих краях белых мореходов. Через шесть лет штурман той же самой экспедиции Антон де Аламинос сознательно воспользовался силой течения Гольфстрима и вернулся в Испанию с золотом Кортеса за рекордно короткий срок. Так Гольфстрим превратился в трансатлантический мост, по которому европейцы вывозили золото из Америки.

Первая карта Гольфстрима была составлена Бенджамином Франклином и Тимоти Фолгером в 1769–1770 годах. А само название «Гольфстрим» — то есть «течение залива» — появилось на картах в первой половине XIX века.

Поделиться

В 1855 году американский морской офицер Мэтью Мори опубликовал книгу «Физическая география и метеорология океана» , где похоже первым выдвинул идею, что именно Гольфстрим уносит тепло Мексиканского залива (где «в противном случае оно было бы чрезмерным») к берегам Старого света и таким образом улучшает климат Британских островов и всей Западной Европы. С тех пор идея о том, что именно Гольфстрим «греет Европу» и определяет мягкие зимы в ней, проникла в научные статьи и учебники.

Сегодня русскоязычная Википедия сообщает: «По пути в Европу Гольфстрим теряет большую часть энергии из-за испарения, охлаждения и многочисленных боковых ответвлений, сокращающих основной поток, однако, доставляет всё ещё достаточно тепла в Европу, чтобы создать в ней необычный для её широт мягкий климат». В школьных учебниках по географии ещё более категорично: «Без этого теплого течения [Гольфстрима] европейцы бы замерзли». Даже в классическом советском учебнике Сергея Хромова «Метеорология и климатология» (в более поздних редакциях — за авторством Хромова и Михаила Петросянца) можно найти такую фразу: «гребень изотерм на картах средней температуры ярко показывает отепляющее влияние Гольфстрима на климат восточной части северного Атлантического океана и Западной Европы».

Если посмотреть на карты поверхностных течений, особенно упрощенных, кажется, что вот же — Гольфстрим широкой рекой течет прямо к берегам Европы (при этом никого не смущает, что на этих картах он объединен с Североатлантическим и Норвежским течениями).

Поделиться

Но в в строгом смысле, конечно, никакой естественной теплопроводной магистрали через Атлантику не проложено. Гольфстрим действительно двигается вдоль американского побережья на север и у мыса Гаттерас поворачивает куда-то в сторону Европы. Но что с ним происходит в пути? И его ли тепло на самом деле получает Европа?

Вода или воздух

Солнце нагревает Землю неравномерно: экватор получает больше, полюса меньше. Этот температурный градиент является одной из главных сил, что приводит в движение океан и атмосферу. В тропиках климатическая система нашей планеты получает энергию, а в умеренных и полярных широтах — отдает.

Поделиться

В 2001 году, связав данные наблюдений за радиационным балансом на верхней границе атмосферы и данные по атмосферному переносу, ученые показали, что основной перенос тепла от полюса к экватору осуществляется в атмосфере. Океан — медленный компонент климатической системы. Он не так резко откликается на внешнее воздействие, как атмосфера. В передаче тепла он выполняет роль аккумулятора: принимая тепло от Солнца и нагреваясь, океан затем делится им с воздухом (непосредственно для солнечной радиации воздух практически прозрачен).

Атмосфера подхватывает тепло и влагу океана (конденсация влаги приводит к выделению тепла, а значит перенос влаги — это, по сути, тоже перенос тепла, только «скрытого») и несет его от тропиков к полюсам. Сама же вода переносит к полюсам гораздо меньше тепла, чем атмосфера, их вклад сопоставим разве что ближе к экватору. Максимальный поток тепла достигается на 30–40 градусах широты, и  в среднем за год составляет шесть петаваттов (в зимние месяцы он доходит и до восьми петаваттов). В Атлантике максимальный перенос тепла океаном идет в районе 15 градуса северной широты и не превышает 1,2 петаватта.

Поделиться

Поток самого Гольфстрима в районе Флоридского пролива также составляет около 1,3 петаватта, так что сами по себе величины переноса однозначного ответа о роли этого течения в отеплении Европы не дают. Не дают они ответа и на вопрос, почему зимы в Европе гораздо мягче, чем в Северной Америке на этой же широте. Для этого надо понять, как устроен в умеренных широтах атмосферный перенос тепла.

Кто греет Европу

В умеренных широтах обоих полушарий преобладает западный перенос воздушных масс. Это связано, во-первых, с градиентом температуры между субтропиками и приполярными районами (что определяет движение воздуха в сторону полюсов) — а во-вторых со вращением планеты, которое отклоняет этот поток направо в северном полушарии и налево в южном. Так в умеренных широтах поток теплого воздуха к полюсам становится западным ветром.

Западный ветер обуславливает преобладание морского климата в западных частях материков и континентального — в восточных. Глобальный поток тепла с океана на сушу в декабре и в январе достигает шести петаваттов (что сопоставимо с максимумом меридионального переноса тепла). Более того, теплый океан, горные хребты и остывание заснеженной поверхности зимой приводят к более частому образованию на одних и тех же местах циклонов и антициклонов. Если их осреднить за зиму, то может показаться, что циклоны над Атлантикой и Тихим океаном (Исландский и Алеутский минимумы) и антициклоны над материками (Канадский и Сибирский максимумы) стоят на месте. В итоге воздух движется уже не строго с запада на восток, а приобретает меридиональную составляющую: к западным побережьям материков он приходит с юго-запада, со стороны теплого океана, а к восточным побережьям — с северо-востока, из центральных холодных районов материков.

Поделиться

В начале этого века британский метеоролог Ричард Сигер и его коллеги задались вопросом: нужен ли Гольфстрим, чтобы в Европе была теплая погода? И попробовали проверить это при помощи идеализированных экспериментов, в которых выключали все течения в Атлантике. Выяснилось, что даже если океан «плоский», то есть не переносит тепло, то Европа все равно остается существенно теплее восточного побережья США. А критически важными для температурного режима Европы оказались конфигурация атмосферного переноса и обмен теплом и влагой между океаном и атмосферой. То есть в «отоплении» Европы океан выступает аккумулятором, который заряжается теплом Солнца за лето и отдает его зимой. А заслуги внутренних течений в этом аккумуляторе перед европейским климатом явно переоценены.

Можно, конечно, сказать, что это всего лишь данные моделирований. А что говорят наблюдения? Ученые использовали метод обратных траекторий для исследования зимней погоды в четырех европейских городах — Дублине, Париже, Лиссабоне и Тулузе. Выяснилось, что турбулентные потоки тепла и влаги от океана действительно насыщают воздушные массы, проходящие над морской поверхностью. Однако погода в изучаемых городах в первую очередь реагировала не на температуру поверхности океана, а температуру и влажность воздушных масс. Более того, в годы, когда западные ветра проходили над Гольфстримом и его продолжением, они не становились теплее и влажнее, чем обычно.

Поделиться

В других работах было показано, что резкие границы температуры воды в районе Гольфстрима приводят к возникновению здесь же мощных восходящих движений воздуха (конвекции), сильным осадкам и образованию высоких холодных облаков. Это в свою очередь запускает волнения в атмосфере, которые чувствуются в удаленных районах. 

Например, положение Гольфстрима влияет на интенсивность антициклонов над Гренландией: чем севернее путь течения, тем интенсивнее антициклоны. Также сдвиг Гольфстрима влияет на температуру в Баренцевом море. Но и это не может объяснить теплые европейские зимы. Более того, ряд работ (1, 2, 3) на основе сдвиговой корреляции показал, что положение Гольфстрима само находится в зависимости — от циркуляции воздуха в Северном полушарии.

Впрочем, известно, что потоки между океаном и атмосферой на коротких временных интервалах (до десяти лет) регулируются изменениями в атмосфере, а вот на длинных — уже в океане. К тому же, если приглядеться к результатам моделирования Сигера и его коллег, можно увидеть, что на температуру севера Европы включение-выключение течений влияет существенно. То есть Норвегию и Мурманск Гольфстрим все же обогревает?

Здесь важна общая циркуляция в Атлантике. Гольфстрим является лишь ее частью — самой видимой и наиболее известной, но не определяющей. Более того, связь Гольфстрима со своими продолжениями не так очевидна.

Больше, чем Гольфстрим

Мировой океан закрывает 7/10 поверхности нашей планеты и содержит 97 процентов воды на Земле (если не учитывать воду, которая находится в недрах планеты). Неудивительно, что наши знания об этом гиганте не полны. Некоторые процессы в океане известны зачастую лишь в общих чертах, практически каждый год то или иное явление уточняется.

Первые наблюдения за океаном производились на морских судах — сначала как сопутствующие, с конца XIX века они стали уже специализированными (про историю судовых наблюдений можно, например, почитать здесь). Сейчас наблюдательная система за океаном включает гораздо больше компонентов: помимо научных и коммерческих судов это мареографы, специализированные заякоренные и дрейфующие буи, глайдеры, трекеры на животных, высокочастотные радары, пассивное и активное спутниковое зондирование. Например, с помощью спутниковой альтиметрии было установлено, что уровень океана с конца XX века растет с ускорением до 0,1 миллиметра/год².

Важны не только наблюдения, но и растущие мощности наших вычислительных машин, которые позволяют численно моделировать океан со все более высоким разрешением. Высокое разрешение для моделирования океана даже важнее, чем для работы с атмосферой. Тропические циклоны имеют характерное разрешение в несколько сотен километров, привычные нам циклоны до двух тысяч километров, а размеры вихрей в океане — лишь десятки километров, при этом они переносят существенную долю тепла (в первую очередь вблизи экватора).

Впрочем, сами по себе новые наблюдательные системы и возросшие вычислительные мощности к открытиям не приводят. Важнейшим звеном остаются ученые и их догадки. Так, на основе всего лишь одного измерения вертикального профиля температуры воды в Атлантике, произведенного в 1750 году капитаном работоргового судна и показавшего, что под слоем теплых поверхностных вод на глубине находятся гораздо более холодные водные массы, выросла идея глобальной циркуляции океана. Циркуляции, которая не ограничивается поверхностными течениями.

Через полвека после этого граф Рамфорд предположил, что теплая вода от экватора по поверхности океана течет к полюсам, а холодная наоборот — течет   в глубинах океана от полюсов в сторону экватора. Русский физик Эмиль Ленц развил эту идею в 1845 году, предположив, что теплая вода «опрокидывается» в районе полюсов, а холодная поднимается на поверхность в районе экватора — тем самым, по сути, впервые описав схему атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (АМОЦ). 

В начале XX века немецкий океанограф Бреннеке объединил АМОЦ и поверхностные течения в единую схему, в которой сохранялся подъем воды на экваторе. Следующий шаг был сделан в 1925–1927 годах после исследований немецких океанографов на судне «Метеор»: в схеме Георга Вюста пропадает подъем воды на экваторе, появляются различные уровни, где поток воды направлен на юг или на север. А в середине XX века американский океанограф Генри Стоммел показал, что опрокидывание теплой воды происходит в узких зонах, где она охлаждается и за счет активного испарения становится более соленой — поэтому тяжелеет и опускается вниз. Причем в схеме Стоммела вода к югу течет в узкой зоне на западе океана.

Поделиться

Поделиться

Поделиться

Поделиться

И Вюст и Стоммел показали, что в Атлантике поток тепла направлен через экватор в Северное полушарие. В итоге температура воды на севере Атлантики выше, чем на севере Тихого океана. Но различается не только температура: на севере Атлантики выше соленость, а уровень воды наоборот, ниже, чем на севере Тихого океана — почти на метр! Эти отличия связаны с разностью в осадках (и в меньшей степени с испарением): в силу атмосферной циркуляции и размеров океанов испаряющаяся над Тихим океаном влага по большей части над ним же и выпадает, а из Атлантики — переносится на материк.

Все это независимо привело в начале 1980-х двух океанологов — американца Уоллеса Брокера и россиянина Сергея Сергеевича Лаппо — к одной и той же догадке: существует глобальная термохалинная циркуляция (то есть определяемая разностями плотности вследствие разной температуры и солености), связывающая между собой все океаны. В 1982 году Брокер сравнил такую циркуляцию с лентой конвейера, а в 1987 году иллюстратор журнала Natural History Джо ле Моньер нарисовал ее каноническую схему. В 2001 году для третьего отчета IPCC на эту же схему были добавлены зоны формирования глубинных вод — ключевые зоны океанической конвекции, изменения в которых могут тормозить конвейер (кстати, именно в этом отчете возможная остановка конвейера была оценена как маловероятное событие со значительными последствиями, но об этом чуть позже).

Поделиться

Поделиться

В Атлантике меридиональная циркуляция на широте 26,5º северной широты переносит на север около 18 свердрупов воды (1 сведруп = 10⁶ кубометров в секунду) в верхних слоях океана, а в нижних столько же переносит на юг. Для сравнения, крупнейшая река в мире — Амазонка — переносит 0,2 сведрупа, а самое сильное течение в океане, Антарктическое циркумполярное, опоясывающее седьмой континент — 130 сведрупов. Гольфстрим не так уж сильно ему уступает: он переносит от 85 до 105 сведрупов. То есть в пять раз больше, чем АМОЦ! Почему же для переноса тепла на север Атлантики важен именно последняя, а не Гольфстрим? Ведь вот же на картах и схемах «река» (хотя это конечно не река, а множество отдельных вихрей), которая несет тепло в Европу, как когда-то несла в направлении Старого света галеоны с золотом.

Ученые провели эксперимент: с 1990-го по 2002 год они запустили в воду сотни дрифтеров в субтропиках и умеренных широтах Атлантики и посмотрели, как эти они дрейфовали вместе с поверхностными течениями. Из 273 дрифтеров, прошедших через район Гольфстрима, до Северной Европы добрался только один.

Поделиться

Похожий результат был получен и с модельными дрифтерами в численной модели океана: было показано, что из приповерхностных вод субтропического круговорота в субполярный попадает лишь 5 процентов дрифтеров. Сигнал от температурных аномалий поверхности воды в районе Гольфстрима не прослеживается в температуре поверхности воды в Северной Атлантики — субтропический и субполярный круговороты оказываются в целом слабо связаны. В итоге многие свердрупы теплой воды, переносимые Гольфстримом и движимые по большей части ветром, циркулируют в субтропическом круговороте, снова и снова проходя через регион Гольфстрима, и не торопятся греть собой берега Европы.

Поделиться

На глубине связь прослеживается более сильная: моделирование показывает, что уже 30 процентов дрифтеров, запущенных в районе Гольфстрима на глубине 700 метров, проникает из субтропического круговорота в субполярный. Характерное время такого глубинного обмена составляет от двух до семи лет. 

В северо-восточной части субполярного круговорота приток тепла дает до 0,3 петаватта, из которых 0,1 петаватта отдается в атмосферу (это тепло атмосфера переносит на материк), а остальное идет дальше — на северо-запад, в Лабрадорское море, где находится одна из зон конвекции и образования верхних глубинных атлантических вод на глубине 1,5–3 километра), и на северо-восток, в сторону Норвежского, Исландского и Гренландского морей, где расположена вторая зона конвекции и где образуются нижние глубинные атлантические воды (находятся ниже трех километров).

До Баренцева моря в итоге доходит 0,045 петаватта. Этого тепла хватает, чтобы круглый год поддерживать море свободным ото льда. И как раз это тепло в первую очередь связано непосредственно с АМОЦ, которая приводит в движение продолжение Гольфстрима — Североатлантическое течение. Так что если нас интересует судьба Мурманска, вопрос не в том, замедляется ли Гольфстрим, а в том, замедляется ли АМОЦ. И если да, то из-за чего?

Замедляется ли циркуляция воды в Атлантике?

Свежая статья немецкого океанолога-климатолога Штефана Рамсторфа и его коллег, которую все активно обсуждали в феврале, говорит о том, что циркуляция АМОЦ сейчас самая слабая за последние 1600 лет (кстати, в этой статье нет ни слова про Гольфстрим!). Ученые сделали вывод об этом на основе независимых прокси-данных, так или иначе показывающих интенсивность различных звеньев АМОЦ или процессов в атмосфере и океане, связанных с АМОЦ (но не АМОЦ как таковой): соотношение различных изотопов в раковинах ископаемых беспозвоночных (фораменифер) на дне морей, характерного размера илистых отложений, содержания метансульфоновой кислоты в кернах гренландского льда и так далее. Вся совокупность использованных данных указывает на то, что интенсивность АМОЦ с высокой вероятностью сейчас самая слабая за прошедшие 1600 лет.

Поделиться

Идея о том, что глобальный конвейер термохалинной циркуляции и АМОЦ вместе с ним могут ослабевать в следствие усиления парникового эффекта из-за роста концентрации СО₂, была высказана американскими климатологами Сюкуро Манабе и Рональдом Стоуфером в начале 1990-х годов. На основе численных экспериментов с климатической моделью с удвоением и учетверением концентрации СО2 в атмосфере ученые выявили, что на севере Атлантики в результате таяния льдов Арктики и Гренландии и усиления осадков будут распресняться поверхностные воды. Это приводило к ослаблению конвекции (опускания вод) и замедлению термохалинной циркуляции. Предсказанное 30 лет назад распреснение уже происходит. Значит, замедляется и АМОЦ?

Поделиться

Правда, подтвердить прямыми наблюдениями непосредственно за транспортом воды в океане это ослабление пока нельзя. Весной 2004 года на 26,5 градусе северной широты была развернута наблюдательная сеть RAPID с целью наблюдения за АМОЦ, которая включила в себя целый комплекс наблюдений: подводный кабель во Флоридском проливе (для измерения потока Гольфстрима), массив заякоренных буев в открытом океане и датчиков давления на дне океана (для измерения потока в океанической толще), и данные спутниковых измерений ветра на поверхности океана (для определения так называемого экмановского переноса воды, возникающего вследствие действия ветра и силы Кориолиса в приповерхностном слое океана).

Поделиться

Прямые измерения позволили выявить сильнейшую изменчивость АМОЦ (от 4 до 35 свердрупов за десять дней, и это в среднем), из-за которой нельзя явно «нащупать» в данных тенденцию к ослаблению циркуляции от года к году. Серьезное ослабление АМОЦ регистрировалось в 2009–2010 годах, но с тех пор циркуляция восстановилась.

Самые свежие работы, основанные на различных океанографических наблюдениях (в том числе и на данных RAPID) показывают (1, 2, 3), что АМОЦ достаточно устойчива и не ослабляется. О стабильности говорят и прямые наблюдения акустических допплеровских профилемеров за транспортом Гольфстрима и многочисленные океанографические данные о положении Гольфстрима (1, 2).

Но вот данные спутниковой альтиметрии и береговых станций, наблюдающих за уровнем моря, указывают (1, 2) на небольшое ослабление и смещение Гольфстрима к югу. Ослабление Гольфстрима при этом сопровождается более высоким подъемом уровня моря у северо-восточного побережья США — потому что чем сильнее Гольфстрим, тем сильнее на него действует сила Кориолиса, которая как бы отводит его от побережья.

Поделиться

Таким образом, пока у ученых нет однозначного вывода о том, ослабляется АМОЦ (и Гольфстрим, как его часть) или нет. Чаще делается вывод о наличии долгопериодных колебаний АМОЦ, которые по-видимому тесно связаны с 60-летней цикличностью температуры воды в Северной Атлантике (хотя выдвигаются гипотезы о том, что данная цикличность является либо случайным процессом, либо обусловлена влиянием вулканов), в новую — холодную — фазу которой мы сейчас вступаем.

Но почему ученые указывают на возможную остановку АМОЦ как на риск (хотя и маловероятный) с серьезными последствиями? Их настораживают примеры из прошлого.

Если АМОЦ замедлится

В фильме «Послезавтра» климатическая катастрофа занимает считанные дни: потепление приводит к быстрому таянию льдов, это останавливают циркуляцию в океане, что в свою очередь оборачивается резким похолоданием.

Поделиться

Увидев характер изменений температуры, а именно — нечто, похожее на колебания (около 1500 лет), ученые предположили наличие стохастического резонанса — усиления слабого периодического сигнала белым шумом. Важными условиями для это