Океан и климат

В последние десятилетия сложилось понимание того, что океан и атмо- сферу нужно рассматривать как единую систему. Эти две среды, находясь в не- посредственном контакте, непрерывно обмениваются энергией (внутренней и механической) и веществом. Все процессы в океане и атмосфере (кроме прили- вов) имеют единый источник энергии – солнечное излучение. Усвоение сол- нечной радиации зависит от состояния атмосферы и океана, поэтому нельзя от-

делить получение энергии от процесса ее передачи и трансформации, которые вместе формируют природную среду, ее физические, химические и биологиче- ские характеристики, а также скорость преобразования энергии из одного вида в другой.

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 непосредст- венно, то косвенным образом. Атмосферные движения вызывают перемещения

больших масс воды, переносящих накопленную ими теплоту в районы с совер- шенно иными климатическими характеристиками, где эта тепловая аномалия изменяет свойства воздушной массы над океаном. Передача атмосферой коли-

чества движения (импульса) – важнейшая причина возникновения движения в верхнем слое океана. Под воздействием касательного напряжения ветра в океа- не 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 ат-

мосферой. Например, океаны содержат в 50 раз больше диоксида углерода, чем атмосфера. В настоящее время примерно 1/3 часть ежегодного антропогенного поступления С02 от сжигания топлива в атмосферу усваивается океаном.

Таким образом, под взаимодействием между океаном и атмосферой сле- дует понимать совокупность различныз по масштабам процессов перераспреде- ления и трансформации солнечной энергии, водяного пара, газов, солей, коли- чества 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. Поло- жительные обратные связи усиливают первоначальное воздействие, отрица- тельные (их большинство) – препятствуют его развитию. Например, при увели-

чении температуры поверхности океана увеличивается испарение, в атмосферу попадает больше влаги, увеличивается облачность, задерживающая длинновол- новое 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 ки- лометров. В то же время каждый масштаб характеризуется и своими особенно-

стями обмена энергией, влагой, газами и другими компонентами, а также свои- ми механизмами превращений энергии и вещества. Выделяют следующие наи- более важные временные масштабы изменчивости океанских процессов:

мелкомасштабный (10-1-103 с, т. е. от долей секунды до десятков минут) – достаточно хорошо прослеживается и в атмосфере, например по скорости вет- ра, 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 изменчиво-

стью гидрометеорологических элементов;

синоптический (106 -107 с, от нескольких суток до месяцев), связанный с атмосферными и океанскими вихрями, фронтальными зонами, неоднородно- стью 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 от-

дельных областей океана и всей атмосферы, самый яркий пример такого коле-

бания – явление Эль-Ниньо/Южное Колебание в низких широтах;

долгопериодный (внутривековой и межвековой), определяемый изменчи-

востью 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 определя-

ется процессами, происходящими в океане.

Крупномасштабный теплообмен океана и атмосферы определяется разно-

стями 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 Лабра- дорского, Куросио и Курило-Камчатского, где складываются специфические условия выноса на теплую поверхность океана холодного континентального воздуха. Поскольку потоки энергии между океаном и атмосферой определяют- ся контрастами температуры в зоне их контакта, такие районы называют энер- гоактивными областями, т. е. акваториями с повышенной активностью энерго- обмена. Среди таких областей, помимо вышеперечисленных, следует отметить районы муссонной циркуляции (моря Индонезии), районы апвеллинга (Канар- ского, Перуанского и т. д.), области окраинных морей (Норвежского, Гренланд- ского, Берингова). Всю акваторию Северной Атлантики можно считать энерго- активной зоной глобального масштаба: занимая 11\% площади Мирового океа- на, она обеспечивает 19\% общего потока энергии в атмосферу (причины этого будут объяснены ниже).

Поглощаемая Землей приходящая коротковолновая солнечная радиация в отдельной точке не компенсируется уходящей длинноволновой радиацией, хотя

при этом интегральный тепловой баланс планеты остается нулевым. Следова-

тельно, избыточная тепловая энергия, получаемая в тропиках, должна перено-

ситься в высокоширотные районы и тем самым обеспечивать стабильный теп- ловой режим на планете. Этот меридиональный перенос тепловой энергии мо- жет осуществляться в двух средах – океане и атмосфере. До недавнего времени считалось, что меридиональный перенос теплоты в атмосфере во много раз

больше, чем в океане. Лишь с развитием спутниковых методов оценки радиа- ционного баланса было установлено, что океанское звено меридионального пе- реноса тепловой энергии сравнимо с атмосферным.

Наиболее наглядно процесс преобразования энергии в климатической системе можно представить с помощью предложенной В. Шулейкиным (1968)

концепции природных тепловых машин разных масштабов. Природная тепло- вая 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 относитель- ную 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 темпе- ратуре и солености воды между отдельными бассейнами Мирового океана и приводит к возникновению глобальной межокеанской циркуляции или «гло-

бального океанского конвейера».

Возникновение межокеанской циркуляции во многом определяется осо-

бенностями географического положения Атлантического океана. Меридио-

нальное простирание и относительная узость по широте, свободный водообмен с Арктическим бассейном и приан-тарктическими секторами Тихого и Индий- ского океанов, гидрологические особенности окраинных морей, отсутствие значительных орографических барьеров для воздушных масс у западного бере- га 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 (1 Петаватт – сокращенно ПВт – равен 1015 Вт), а превышение испарения над осадками и речным стоком дости-

гает 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 се-

верной 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 по- верхности до дна оказывается значительно ниже, а уровень поверхности – поч- ти 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 во-

круг Южной Африки и составляет верхнюю ветвь «глобального океанского конвейера».

Схема такого межокеанского обмена представлена на рис. 58. На схеме видно, как в поверхностных слоях идет поток теплых вод из Тихого и Индий- ского океанов в субполярные районы Северной Атлантики. Процессы взаимо- действия между океаном и атмосферой приводят к охлаждению воды и ее по- гружению вглубь океана, т. е. к формированию глубинной Северо- Атлантической водной массы, образующей поток холодных вод, который дви- жется в противоположном направлении. Вследствие разности температур дви- жущихся 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 Ев- ропы. Таким образом, возникающая в результате градиентов солености вод ме- жокеанская циркуляция определяет тепловое взаимодействие между океаном и атмосферой.

Формирование глубинных вод

Поток теплых вод

Поток холодных глубинных вод

Рис. 58. Схема глобальной межокеанской циркуляции вод

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, коле- бания переносов теплоты океанскими течениями в умеренных широтах. На- пример, наблюдается климатически значимое постоянное охлаждение и рас- преснение 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 максиму- мом 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 обра- зующейся глубинной воды, меридиональный перенос теплоты в средних широ- тах Атлантики, малые значения индекса замедляют все эти процессы.

Таким образом, условия на поверхности океана не только влияют на ха-

рактеристики теплообмена с атмосферой, но и на глубинные воды, а значит, и на весь «межокеанский конвейер». Поскольку движение вод у дна океана про-

исходит очень медленно, климатический сигнал в виде аномалии температуры и солености из Северной Атлантики распространяется в нижнем звене «гло-

бального конвейера» за многие сотни и даже тысячи лет.

Анализ подобных природных феноменов дает ключ к пониманию меха-

низма воздействия океана на климат: холодные воды Северной Атлантики кон-

тролируют количество теплоты в атмосфере над средними и высокими широ- тами Северного полушария. Поэтому информация о состоянии «океанского конвейера» даст возможность определить современное состояние климата и тенденции его развития