Чтобы перемешать океан, надо не только толкать, но и тянуть

Рис.1. Конвейер океанических течений («петля Брокера»), обеспечивающий вертикальное перемешивание водной толщи. Коричневым выделены теплые течения, идущие около поверхности (в пределах 1000 м), синим — холодные глубоководные течения, идущие над дном. Светлые кружки — это те районы океана, в которых большое количество тепла отдается в атмосферу. Рис. с сайта www.wunderground.com
Рис.1. Конвейер океанических течений («петля Брокера»), обеспечивающий вертикальное перемешивание водной толщи. Коричневым выделены теплые течения, идущие около поверхности (в пределах 1000 м), синим — холодные глубоководные течения, идущие над дном. Светлые кружки — это те районы океана, в которых большое количество тепла отдается в атмосферу. Рис. с сайта www.wunderground.com

Гигантский конвейер течений, перемешивающий океан, может существенно замедлить свой ход в результате таяния ледников Гренландии и попадания в Северную Атлантику большого количества пресной воды. Это чревато сильнейшим похолоданием в северо-западной Европе и сокращением способности океана поглощать углекислый газ. Однако помимо механизма, «толкающего» воду вглубь, существует механизм, ответственный за «тягу» воды вверх. Модели показывают, что наличие подобного компенсирующего механизма позволит хотя бы отчасти ослабить негативные последствия глобального потепления.

«Push» («толкать») или «Pull» («тянуть») — с этими надписями на дверях сталкивается каждый, кто хоть раз побывал в англоязычной стране. С недавнего времени дилемма «толкать или тянуть» обсуждается и в научной литературе по отношению к силам, приводящим в движение глобальную систему океанических течений. Конвейер, который в северной части Атлантического океана уносит воду от поверхности вглубь, перемещает её на большой глубине на огромные расстояния, а затем снова поднимает вверх, но уже совсем в других местах, в других океанах (рис. 1). Выявление этого конвейера, называемого также «петлей Брокера», по имени американского исследователя Уоллеса Брокера (Wallace Smith Broecker), впервые его описавшего, — безусловно одно из крупнейших достижений науки конца ХХ века, позволившее по-новому взглянуть на то, как вертикальное перемешивание океанических вод влияет на климат Земли. Помимо того, что конвейер приносит тепло на север Европы, он важен и тем, что уносит в глубь океана огромное количество углерода, который в виде углекислого газа попадает в верхние слои океана из атмосферы.

Рис. 2. Шторм в Северной Атлантике. Такие ветра сгоняют поверхностные воды и заставляют подняться с глубины 800 м ту воду, что двигалась с юга Атлантического океана. Снимок сделан с корабля Института морских исследований им. Лейбница (фото с сайта www.ifm-geomar.de)
Рис. 2. Шторм в Северной Атлантике. Такие ветра сгоняют поверхностные воды и заставляют подняться с глубины 800 м ту воду, что двигалась с юга Атлантического океана. Снимок сделан с корабля Института морских исследований им. Лейбница (фото с сайта www.ifm-geomar.de)

Традиционно считается, что конвейер приводится в движение термохалинным (то есть определяемым теплом и солёностью) механизмом, который фактически «заталкивает» воду вглубь в северной Атлантике. Поступает эта вода с юга в виде мощнейшего (больше, чем 100 Амазонок!) потока, движущегося на глубине примерно 800 м. В Норвежском море, где дуют сильные сгонные ветры (рис. 2), этот поток поднимается к самой поверхности и значительно охлаждается (в зимнее время — с 10° до 2°C). Отдаваемое при этом тепло и определяет необычайную мягкость зим на севере Европы. Охлажденная и вследствие этого значительно «потяжелевшая» вода (которая и так характеризовалась повышенной соленостью, а следовательно, и плотностью) «тонет» — опускается вниз, на этот раз практически до дна (см. рис. 3). Формируется особая водная масса — так называемая «североатлантическая глубинная вода», которая начинает свой длинный обратный путь по глубинам океана. Двигаясь на юг, она пересекает экватор и, дойдя примерно до 30-40°Ю.Ш., поворачивает на восток. Дав небольшое ответвление на север в Индийском океане, это мощнейшее течение продолжает свой путь в широтном направлении вплоть до Австралии, которую огибает с юга, после чего, уже в Тихом океане, направляется на север, вплоть до Алеутской гряды, где остатки его поднимаются на поверхность.

Рис. 3. Система течений в Северной Атлантике. Красным показана теплая соленая вода, движущаяся с юга Атлантики. Затем она поднимается к самой поверхности — два основных течения выделены коричневым цветом. Места, где вода активно опускается вниз, «тонет», показаны небольшими черными стрелками (E, Entrainment). Обратное движение глубинной североатлантической воды показано синими стрелками. C — это зона интенсивной конвекции, MAR — Срединно-атлантический хребет, тянущийся по дну Атлантического океана. Часть глубинной воды с востока на запад проходит через «пролом» в хребте — «провал Гиббса» (Gibbs Fracture Zone, GFZ). Изображение с сайта www.ifm-geomar.de
Рис. 3. Система течений в Северной Атлантике. Красным показана теплая соленая вода, движущаяся с юга Атлантики. Затем она поднимается к самой поверхности — два основных течения выделены коричневым цветом. Места, где вода активно опускается вниз, «тонет», показаны небольшими черными стрелками (E, Entrainment). Обратное движение глубинной североатлантической воды показано синими стрелками. C — это зона интенсивной конвекции, MAR — Срединно-Атлантический хребет, тянущийся по дну Атлантического океана. Часть глубинной воды с востока на запад проходит через «пролом» в хребте — «провал Гиббса» (Gibbs Fracture Zone, GFZ). Изображение с сайта www.ifm-geomar.de
Рис. 4. Модель течений, возникающих около поверхности океана. Приведены значения скорости течений в см/сек (рис. из обсуждаемой статьи в Nature)
Рис. 4. Модель течений, возникающих около поверхности океана. Приведены значения скорости течений в см/сек (рис. из обсуждаемой статьи в Nature)

Остановка этого конвейера в принципе возможна, причем связывают ее, как ни странно, с глобальным потеплением и таянием ледников Гренландии. Тогда в северную часть Атлантического океана поступит масса пресной воды, которая разбавит соленые воды, прибывшие с юга, а те, став менее тяжелыми, просто перестанут «тонуть» и приводить в движение весь конвейер. Иначе говоря — «толкающий» механизм не будет работать. Такое в истории Земли уже происходило, причем последний раз — 11 тыс. лет тому назад, когда в результате таяния мощных ледников на севере Северной Америки массы талой воды, переполнили существовавшее там крупное озеро Агассис и устремились через район Великих озер и реку Св. Лаврентия на восток — в Атлантический океан. Конвейер Брокера тогда остановился на тысячу лет, и это вызвало сильнейшее похолодание в Европе.

Поскольку вода опускается фактически в одном месте, на севере Атлантики, а поднимается во многих местах — в Южном океане, в Индийском и в Тихом, то неудивительно, что основные усилия исследователей были направлены на изучение сил, «толкающих» вниз, а не «тянущих» вверх. Однако в появившейся недавно статье профессора Мартина Висбека (Martin Visbek) из Института морских исследований им. Лейбница при Кильском университете (Германия) внимание обращено как раз на механизмы, ответственные за подъем воды к поверхности, на силы, которые «тянут». Как пишет автор, он еще в 1994 году был поражен результатами компьютерного моделирования глобальной системы течений, проведенного Робби Тоггвайлером (Robbie Toggweiler) в геофизической лаборатории Принстонского университета. Модель показывала, что в ответ на усиление ветрового перемешивания в Южном океане и соответствующую активизацию там апвеллингов (подъемов вод) Северная Атлантика реагирует более интенсивным погружением вод.

Рис. 5. Криль — рачки эуфазииды, суточные вертикальные миграции которых в некоторой степени способствуют перемешиванию водной толщи. Фото © K.Aitken/V&W/Imagequestmarine.com из статьи Quirin Schiermeier «Plans forge ahead for better weather monitoring» (Nature. 2007. V. 447. P. 524)
Рис. 5. Криль — рачки эуфазииды, суточные вертикальные миграции которых в некоторой степени способствуют перемешиванию водной толщи. Фото © K.Aitken/V&W/Imagequestmarine.com из статьи Quirin Schiermeier «Plans forge ahead for better weather monitoring» (Nature. 2007. V. 447. P. 524)

Очевидно, что для обеспечения работы тянущего механизма необходимо проникновение вглубь более теплых поверхностных вод, нарушение резкого градиента плотности, изолирующего верхнюю хорошо перемешиваемую зону от основной глубинной массы. Важную роль могут сыграть сильные штормы. Они «размывают» верхнюю границу плотного нижнего слоя водной толщи подобно тому, как волны размывают берег. Некоторое значение для перемешивания могут иметь мигрирующие животные — крупные ракообразные (криль), рыбы и киты.

Современные модели климата предсказывают, что таяние ледников Гренландии может понизить интенсивность погружения вод в Северной Атлантике (то есть «толкающего» механизма) примерно на 30%. Но те же модели предсказывают резкое усиление ветров и более частые штормы в районе Южного океана. А это означает, что должен активизироваться «тянущий» механизм, ответственный за подъем глубинных вод к поверхности. Автор подчеркивает, что необходимо развивать систему сбора первичных данных по гидрологии океана и совершенствовать модели, чтобы составить достаточно полное представление о соотношении сил «толкающих» и «тянущих» океанический конвейер.

Источник: Martin Visbeck. Power of pull // Nature. 2007. V. 447. P. 383.

См. также:
1) Вертикальные миграции планктона способствуют перемешиванию океана, «Элементы», 13.10.2006.
2) Гренландия всё быстрее теряет свой лед, «Элементы», 26.09.2006.
3) Stefan Rahmstorf. The Thermohaline Ocean Circulation (очень хороший текст с полезными гиперссылками, рассказывающий о глобальной океанической циркуляции — «петле Брокера»).

Алексей Гиляров


1
Показать комментарии (1)
Свернуть комментарии (1)

  • nvk1  | 21.11.2007 | 09:42 Ответить
    Глубокоуважаемый Алексей Меркурьевич!
    Эта прекрасная модель относится к подповерхностным (промежуточным)водам. К поверхностной циркуляции она отношения не имеет, к глубинной (абиссальной)- тоже. К действительности - во многом тоже отношения не имеет. Когда я потребовал от коллег-гидрофизиков оценить скорости течений через индонезийские проливы (в соответствии с данной моделью) они сказали, что такого не может быть (в соответствии с глубинами, сечениями проливов и принимаемым в модели объемом воды). Как-то просто до этого пункта ни у кого ни руки ни голова не доходили.
    И главное - основной перенос тепла не связан с подповерхностными течениями, а с поверхностной циркуляцией, которая имеет совершенно другой вид...
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»