Океан и колебания климата

С. С. Лаппо, А. В. Соков, В. П. Терещенков, С. А. Добролюбов

Что в воде восхищало Блума, водолюба, водочерпия, водоноса, когда он возвращался к плите? Ее универсальность; ее демократическое равенство и верность своей природе в стремлении к собственному уровню; обширность ее океанов на карте в проекции Меркатора; ...ее значение для климата; ...ее преобладание над сушей на земном шаре в отношении 3 к 1. Дж. Джойс. Улисс

В погоде, как и в футболе, разбираются все, или почти все, особенно в Москве. Замечательно первое впечатление Фазиля Искандера о москвичах - какой бы интересный разговор ни шел, он обязательно прерывается на полуслове возгласами "Тихо, погоду передают!". И все, конечно, "помнят", что раньше зимы были холоднее, а лето жарче. Таким образом, сам факт климатической изменчивости ни у кого не вызывает сомнений. Споры же начинаются при попытке выяснить причины этих колебаний. Многие считают, что во всем виновата деятельность человека. Однако существуют естественные колебания климата, никак "с венцом творения" не связанные. Летописи свидетельствуют, что несколько веков назад, когда никаких промышленных выбросов в атмосферу не было и в помине, наблюдались периоды интенсивных потеплений и похолоданий. Достаточно вспомнить хотя бы незавидную судьбу поселений викингов в Северной Америке и Гренландии! Для обыкновенного человека понятие неизменного климата связано с непрерывным чередованием времен года: весна сменяет зиму, затем наступает лето, вслед за которым приходит осень, и, наконец, вновь возвращается зима. И так из года в год. При этом новая зима, как, впрочем, и все другие времена года, ничем не отличается от предыдущих. Для такого развития событий, казалось бы, есть все предпосылки. Ведь само слово климат происходит от греческого klima, что значит наклон земной поверхности к солнечным лучам. Оно отражает неизменное движение Земли по орбите вокруг Солнца, в ходе которого наша планета поворачивается к Солнцу то одним, то другим своим боком (полюсом), что, собственно, и является причиной годовой цикличности всех процессов на Земле. Известно, что приходящая к Земле солнечная энергия неравномерно распределена по земному шару. Более того, 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. Из всех возможных кандидатов на роль транспортных средств только два могут действительно эффективно осуществить эту операцию: океан и атмосфера. Итак, Земля вращается вокруг Солнца по постоянной орбите и с постоянным наклоном оси собственного вращения. Океан и атмосфера перераспределяют приходящую от Солнца энергию между широтами, компенсируя зональную неравномерность ее прихода на верхнюю границу атмосферы. Так в чем же все-таки причина изменения климата?

Слова "постоянно" в приведенных выше рассуждениях позволяет заключить, что единственно возможные изменения могут касаться лишь процесса переноса тепла на Земле. Иными словами, изменения климата должны определяться маршрутом следования приходящего от Солнца тепла, который зависит от состояния транспортных средств: океана и атмосферы.

Океан, атмосфера, тепловые машины

Какова же относительная 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.

Возвращаясь к аналогии с транспортными средствами, представим себе грузовик, несущийся по проселочной дороге и везущий в кузове климат Земли. Тогда роль атмосферы окажется сродни многочисленным кочкам и ухабам, вызывающим тряску ценного груза, а океан в этом случае будет играть роль амортизаторов грузовика, стабилизирующих состояние груза.

Исходя из энергетических оценок возможных причин климатической изменчивости Земли, мы 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 9^oС. Средняя температура поверхностных вод Северной Атлантики (16^oС) на 6^oС ниже температуры верхнего слоя северной части Тихого океана (22^oС). Два эти океана имеют в средних широтах северного полушария одинаковую протяженность по широте, но средняя температура всей толщи вод Атлантики теплее на 1.3^oС, а средняя соленость выше на 0.5^o/_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 первых работах [1-3], связанных с концепцией глобального океанского конвейера, исследователи исходили из принципа двухслойной циркуляции вод Мирового океана. В ходе наших последних исследований было установлено, что при изучении глобального межокеанского конвейера необходимо учитывать его взаимодействие с локальной многослойной циркуляцией Северной Атлантики. По нашему мнению, 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^o/_oo, причем на поверхности аномалия достигала в отдельных районах одного промилле [4]. Это явление получило название "Великая соленостная аномалия" (ВСА). Отметим, что для компенсации распреснения вод на 0.1^o/_oo (от обычных 34 до 33.9^o/_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 [4]. 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.

Контраст температур на фронте обострялся, в результате с середины 70-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 65 циклонов, тогда как в предшествующее десятилетие (1966-1975) - лишь 44. Сток Волги за 1971-1977 гг. в среднем составлял 236 км³/год, а в 1978-1990 гг. - 305 км³/год. С конца 1977 г. начался рост уровня Каспийского моря, к 1994 г. поднявшегося более чем на 2 м. Следствием усиления циклонической активности были и мягкие ("сиротские") зимы с сильными оттепелями 80-х годов в районе Москвы.

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 36^o с. ш. в Атлантике. Анализ результатов рейса выявил удивительные факты, приведенные на рис.2.

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. [5] и на 48^o с.ш. в 1992 г. [6]. Наши данные 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 нашему мнению, все эти факты - звенья единого природного процесса, проявившегося в обострении субполярного океанского фронта в Северной Атлантике и ослаблении там глобального конвейера. Таким образом, мы приходим 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.

1. Gordon A. L. Interocean exchange of thermocline water // J.Geophis. Res. 1986. V. 91, № C4. P. 5037-5046.

2. 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.

3. Broecker W. S., Peteet D. M., Rind D. Does the ocean-atmosphere system have more than one stable mode of operation? //Nature. 1985. V. 315. P. 21-26.

4. Dickson R. R., Meincke J., Malmberg S.-A., Lee A. J. The "Great Salinity Anomaly" in the Northern North Atlantic 1968-1982 //Progr. in Oceanogr. 1988. V. 20. P. 103-151.

5. Read J. F., Gould W. J. Cooling and freshening of the subpolar North Atlantic ocean since the 1960s. //Nature. 1992. V. 360. P. 55-57.

6. Koltermann K. P., Sy A. Western North Atlantic Colds at intermediate depths //Int. WOCE Newsletter. 1994. № 15. P. 5-6.